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摘 要：增材制造技术直接将材料逐渐叠加形成所需要的零件，作为一种新兴制造技术越来越受到国内外制造业的关注。本文回顾了增材制造技术国内外的发展历程，介绍了适用于航空发动机零部件的增材制造的主要类型及与传统加工工艺的区别，论述了增材制造技术在航空发动机上的应用进展。随着增材制造技术的不断发展以及技术上的不断突破，其在航空发动机上必将具有非常广阔的应用前景。
关键词：增材制造;航空发动机;金属材料;减重
引言
随着工业水平的发展，传统的制造技术出现了一些无法解决的问题。例如，针对超大型整体构件，如果采用锻造，尺寸规格无法满足要求;如果采用铸造，构件性能无法满足要求;如果采用焊接，焊接区为疲劳薄弱环节，结构件强度不容易保证。针对这一问题，增材制造技术为解决超大型整体构件一体化制造提供了新的技术路径。
1 增材制造技术国内外发展现状
增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术也即人们熟知的“3D打印”，它的起源可以追朔到地形学、沙盘制做工艺领域。1892年，J.E.Blanther，叠层的方法来制作地图模型成功申请了美国专利。1984年，Charles Hull首创增材制造SLA技术，1986年创办3D System公司，制造了第一款商用增材制造打印机，2002年公司在Nasdag上市，员工1000多人，其营业额也达到10亿美元。2010年，世界上第一辆由增材制造技术打印而成的汽车Urbee问世，增材制造技术应用朝更广度和更深度方向发展。2012年，北京航空航天大学王华明团队的增材制造技术项目获得国家技术发明一等奖。航空工业沈阳所王向明副总师为第二获奖人员，是我国增材制造技术应用的第一人。2014年，全球增材制造技术市场规模约60亿美元，相比2013年同比增长50%。
目前，美国是全球最大的增材制造技术应用国和消费国，以美国、英国、欧盟为代表的发达国家增材制造技术已经进入高速发展期。后续，增材制造技术在航空航天、汽车制造、机械制造等领域将实现较大增长。
2 增材制造技术原理及分类
增材制造是一种基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的新型制造技术。它的基本原理是：离散—堆积，属于由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。
增材制造技术的成型方法有很多种，适用于航空发动机零部件的增材制造主要技术手段主要包括以下几种：选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、选择性激光熔化技术（Select Laser Melting，SLM）、电子束选区熔化技术（Electron Beam Melting，EBM）和激光立体成形技术（Laser Solid Forming，LSF）[1-3]。
SLS技术：采用CO2激光器将粉末状材料选择性烧结成固体件，这种方法适合成型小件，可直接得到塑料、陶瓷或金属产品。SLS技术有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、材料利用率高和成型速度快等特点。
SLM技术：作为增材制造技术的另外一种实施方式，由SLS技术发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。SLM技术具有高柔性化、设计制造一体化、高度自动化等特点。目前，世界航空发动机垄断巨头GE、PW、RR等公司都已将目光锁定在了该技术上，并增大了在该方面的研制投入。
EBM技术：是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成形材料，通过不断在粉末床上铺展金属粉末然后用电子束扫描熔化，使一个个小的熔池相互熔合并凝固，层层堆积，直到制造出需要的金属零件。近年来，该技术在航空航天领域的应用也迅速兴起。
LSF技术：以金属粉末为原料，通过大功率激光逐层堆积，实现从零件的数字模型到实体金属的直接制造。该技术适于难加工金属材料、损伤零部件的修复、异种材料混合制造和梯度材料的制备等。
3 增材制造与传统加工工艺的区别
3.1 工藝的比较
传统加工工艺受到工具、工艺的限制，难以成型某些复杂结构，如网络结构、内腔、内孔等。航空发动机输送油液的零件需要内部有样条曲线走向的光滑内流道。传统方法内孔道加工要通过钻、扩、铰、锉、攻等机械加工方法实现，加工时特定的装夹和刀具限制了孔道必须为垂直相接结构，且难以加工深孔和斜孔，为了连接内部交叉孔，还需设置工艺孔并在加工完成后采用球涨堵头、焊接堵头、螺纹堵头等方法进行封堵，如图1（a）。增材制造通过模型切片将产品化为逐层堆积的二维平面，在Z 轴方向上逐层加工出三维实体，因此，产品的内部结构并不受加工手段的限制，可以寻求好的液流特性的孔道结构，减少不必要的管路液流内阻。图1（b）为面向增材制造的孔道设计，整个孔道以样条曲线的方式贯通，使液流在孔道中的流动方向时时发生改变，避免管路方向突变造成的局部压力损失，能够满足航空发动机内部有流道构件的要求。
3.2 工时和成本的比较
传统机械加工制造工件过程包括预处理、机加工、去毛刺、清洗等，由于其加工难度而造成的质量问题很多，比如刀具或切屑划伤表面及孔系内壁、工装夹具不合理造成加工精度达不到要求、热处理工序造成材料变形等等。制备模具的费用相对较高，造成小批量生产的单件工时和成本上升。增材制造与现有传统减材加工制造（车削、钻削、铣削等）相比，工序上省略了零件装夹工序及各类刀具的使用;与传统的等材加工（铸造、锻造）相比，减少甚至避免了模具的使用，从而提升了制造效率，也节约了生产成本。与此同时，增材制造能够实现系统的集成化。传统产品通常是将加工好的单一的零件通过各类连接装配起来，而一体化成形和复合材料的使用使得增材制造出的产品实现免装配，且其性能超过了传统连接的性能。增材制造成形自由度高、研发周期短、材料消耗少，适用范围广，从设计到成品仅需要三步（三维建模、立体成形、后处理），省去了模具的设计、加工时间及费用，缩短生产周期，未熔化金属粉末可回收再利用，降低成本。采用增材制造方式制备工件时，产品的内部结构并不受加工手段的限制，有助于构建良好的工件结构，制造过程无需生产或装配模具，且装夹过程用时较短，因此在制造工件数量增加的过程中，增材制造的时间和成本变化幅度很小。 4 增材制造技术在航空發动机上的应用进展
由于增材制造技术可以制造出内部是中空结构代替实心的零部件，从而减轻飞行器的重量，因此近几年在航空发动机上得到广泛应用。
2012年，通用电气公司（GE）在发动机制造中采用激光增材制造技术加工1.22m长钛合金零件，使每台发动机节省成本2.5万美元[4]。2014年，GE90发动机增材制造的T25传感器得到FAA认证。GE的LEAP发动机燃油喷嘴采用增材制造技术后将20个零件集成为1个零件，有效减重25%，寿命延长5倍。GE先进涡桨发动机采用增材制造技术将855个部件整合到12个，减重5%，油耗降低20%，燃烧试验从12个月缩短至6个月。
利用增材制造技术，可以有效对航空领域一些结构件、零部件、甚至功能部件进行创新设计和打印制造。
5 结束语
增材制造技术在先进制造技术发展的同时，也促进了结构设计思想的解放和提升。随着拓扑优化等优化手段的发展和成熟，增材制造越来越得到航空发动机设计师的青睐，未来的应用前景十分广阔。但目前在航空产品应用上还需要重点关注以下几方面问题。
（1）与航空产品相关的增材制造工艺标准的完善。增材制造技术不同于传统加工工艺，不能完全用传统技术的标准来对增材制造技术进行评定。
（2）控制内部缺陷，提高产品质量。不断积累相关工艺参数和试验数据，探索适合不同材料的最优工艺参数。
（3）综合考虑成本和效益，与传统工艺方法有机结合。考虑增材制造技术与传统加工工艺融合互补，扬长避短，形成最佳制造方案。
参考文献
[1]赵剑峰，马智勇，谢得巧等.金属增材制造技术[J].南京航空航天大学学报，2014（5）：.
[2]刘业胜，韩品连，胡寿丰等.金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用[J].航空制造技术，2014（10）：675-682.
[3]SIMCHI A.Direct laser sintering of metal powders：mechanism，kinetics and microstructural features [J].Materials Science and Engineering A，2006，428（1/2）：148-158.
[4]祁萌，李晓红，胡晓睿等.增材制造技术在国外国防领域的发展现状和趋势[J].Defence Manufacturing Technology，2013/5：12-16.
关键词：增材制造;航空发动机;金属材料;减重
引言
随着工业水平的发展，传统的制造技术出现了一些无法解决的问题。例如，针对超大型整体构件，如果采用锻造，尺寸规格无法满足要求;如果采用铸造，构件性能无法满足要求;如果采用焊接，焊接区为疲劳薄弱环节，结构件强度不容易保证。针对这一问题，增材制造技术为解决超大型整体构件一体化制造提供了新的技术路径。
1 增材制造技术国内外发展现状
增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术也即人们熟知的“3D打印”，它的起源可以追朔到地形学、沙盘制做工艺领域。1892年，J.E.Blanther，叠层的方法来制作地图模型成功申请了美国专利。1984年，Charles Hull首创增材制造SLA技术，1986年创办3D System公司，制造了第一款商用增材制造打印机，2002年公司在Nasdag上市，员工1000多人，其营业额也达到10亿美元。2010年，世界上第一辆由增材制造技术打印而成的汽车Urbee问世，增材制造技术应用朝更广度和更深度方向发展。2012年，北京航空航天大学王华明团队的增材制造技术项目获得国家技术发明一等奖。航空工业沈阳所王向明副总师为第二获奖人员，是我国增材制造技术应用的第一人。2014年，全球增材制造技术市场规模约60亿美元，相比2013年同比增长50%。
目前，美国是全球最大的增材制造技术应用国和消费国，以美国、英国、欧盟为代表的发达国家增材制造技术已经进入高速发展期。后续，增材制造技术在航空航天、汽车制造、机械制造等领域将实现较大增长。
2 增材制造技术原理及分类
增材制造是一种基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的新型制造技术。它的基本原理是：离散—堆积，属于由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。
增材制造技术的成型方法有很多种，适用于航空发动机零部件的增材制造主要技术手段主要包括以下几种：选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、选择性激光熔化技术（Select Laser Melting，SLM）、电子束选区熔化技术（Electron Beam Melting，EBM）和激光立体成形技术（Laser Solid Forming，LSF）[1-3]。
SLS技术：采用CO2激光器将粉末状材料选择性烧结成固体件，这种方法适合成型小件，可直接得到塑料、陶瓷或金属产品。SLS技术有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、材料利用率高和成型速度快等特点。
SLM技术：作为增材制造技术的另外一种实施方式，由SLS技术发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。SLM技术具有高柔性化、设计制造一体化、高度自动化等特点。目前，世界航空发动机垄断巨头GE、PW、RR等公司都已将目光锁定在了该技术上，并增大了在该方面的研制投入。
EBM技术：是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成形材料，通过不断在粉末床上铺展金属粉末然后用电子束扫描熔化，使一个个小的熔池相互熔合并凝固，层层堆积，直到制造出需要的金属零件。近年来，该技术在航空航天领域的应用也迅速兴起。
LSF技术：以金属粉末为原料，通过大功率激光逐层堆积，实现从零件的数字模型到实体金属的直接制造。该技术适于难加工金属材料、损伤零部件的修复、异种材料混合制造和梯度材料的制备等。
3 增材制造与传统加工工艺的区别
3.1 工藝的比较
传统加工工艺受到工具、工艺的限制，难以成型某些复杂结构，如网络结构、内腔、内孔等。航空发动机输送油液的零件需要内部有样条曲线走向的光滑内流道。传统方法内孔道加工要通过钻、扩、铰、锉、攻等机械加工方法实现，加工时特定的装夹和刀具限制了孔道必须为垂直相接结构，且难以加工深孔和斜孔，为了连接内部交叉孔，还需设置工艺孔并在加工完成后采用球涨堵头、焊接堵头、螺纹堵头等方法进行封堵，如图1（a）。增材制造通过模型切片将产品化为逐层堆积的二维平面，在Z 轴方向上逐层加工出三维实体，因此，产品的内部结构并不受加工手段的限制，可以寻求好的液流特性的孔道结构，减少不必要的管路液流内阻。图1（b）为面向增材制造的孔道设计，整个孔道以样条曲线的方式贯通，使液流在孔道中的流动方向时时发生改变，避免管路方向突变造成的局部压力损失，能够满足航空发动机内部有流道构件的要求。
3.2 工时和成本的比较
传统机械加工制造工件过程包括预处理、机加工、去毛刺、清洗等，由于其加工难度而造成的质量问题很多，比如刀具或切屑划伤表面及孔系内壁、工装夹具不合理造成加工精度达不到要求、热处理工序造成材料变形等等。制备模具的费用相对较高，造成小批量生产的单件工时和成本上升。增材制造与现有传统减材加工制造（车削、钻削、铣削等）相比，工序上省略了零件装夹工序及各类刀具的使用;与传统的等材加工（铸造、锻造）相比，减少甚至避免了模具的使用，从而提升了制造效率，也节约了生产成本。与此同时，增材制造能够实现系统的集成化。传统产品通常是将加工好的单一的零件通过各类连接装配起来，而一体化成形和复合材料的使用使得增材制造出的产品实现免装配，且其性能超过了传统连接的性能。增材制造成形自由度高、研发周期短、材料消耗少，适用范围广，从设计到成品仅需要三步（三维建模、立体成形、后处理），省去了模具的设计、加工时间及费用，缩短生产周期，未熔化金属粉末可回收再利用，降低成本。采用增材制造方式制备工件时，产品的内部结构并不受加工手段的限制，有助于构建良好的工件结构，制造过程无需生产或装配模具，且装夹过程用时较短，因此在制造工件数量增加的过程中，增材制造的时间和成本变化幅度很小。 4 增材制造技术在航空發动机上的应用进展
由于增材制造技术可以制造出内部是中空结构代替实心的零部件，从而减轻飞行器的重量，因此近几年在航空发动机上得到广泛应用。
2012年，通用电气公司（GE）在发动机制造中采用激光增材制造技术加工1.22m长钛合金零件，使每台发动机节省成本2.5万美元[4]。2014年，GE90发动机增材制造的T25传感器得到FAA认证。GE的LEAP发动机燃油喷嘴采用增材制造技术后将20个零件集成为1个零件，有效减重25%，寿命延长5倍。GE先进涡桨发动机采用增材制造技术将855个部件整合到12个，减重5%，油耗降低20%，燃烧试验从12个月缩短至6个月。
利用增材制造技术，可以有效对航空领域一些结构件、零部件、甚至功能部件进行创新设计和打印制造。
5 结束语
增材制造技术在先进制造技术发展的同时，也促进了结构设计思想的解放和提升。随着拓扑优化等优化手段的发展和成熟，增材制造越来越得到航空发动机设计师的青睐，未来的应用前景十分广阔。但目前在航空产品应用上还需要重点关注以下几方面问题。
（1）与航空产品相关的增材制造工艺标准的完善。增材制造技术不同于传统加工工艺，不能完全用传统技术的标准来对增材制造技术进行评定。
（2）控制内部缺陷，提高产品质量。不断积累相关工艺参数和试验数据，探索适合不同材料的最优工艺参数。
（3）综合考虑成本和效益，与传统工艺方法有机结合。考虑增材制造技术与传统加工工艺融合互补，扬长避短，形成最佳制造方案。
参考文献
[1]赵剑峰，马智勇，谢得巧等.金属增材制造技术[J].南京航空航天大学学报，2014（5）：.
[2]刘业胜，韩品连，胡寿丰等.金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用[J].航空制造技术，2014（10）：675-682.
[3]SIMCHI A.Direct laser sintering of metal powders：mechanism，kinetics and microstructural features [J].Materials Science and Engineering A，2006，428（1/2）：148-158.
[4]祁萌，李晓红，胡晓睿等.增材制造技术在国外国防领域的发展现状和趋势[J].Defence Manufacturing Technology，2013/5：12-16.