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基于激光选区熔化的航空发动机喷嘴减重设计及制造技术研究
发稿时间:2019-03-01         作者:姚俊          来源:新技术实验室     【字号:

  美国GE公司、英国Rolle-Royce公司、德国MTU公司等纷纷结合拓扑优化设计技术和增材制造技术将航空发动机喷嘴等多种零部件进行创成设计和一体化成形,取得了减重和性能提升的双重效果。而我国技术相对落后,设计-制造-测试-评价体系不够完善,机理研究薄弱,大多还处于只知其形,不明其意的阶段。 

  工程热物理研究所新技术实验室拟发展的技术体系将喷嘴优化设计、增材制造、后处理与检测融为一体,开展基于增材制造技术的一体化轻量化拓扑优化设计、激光选区熔化工艺设计与成形、增材制造后处理与检测等技术研究,掌握基于增材制造的结构优化设计方法,建立高温合金激光选区熔化工艺数据库,完成激光选区熔化共性技术研究。 

  航空发动机燃油喷嘴可使燃油雾化,对燃烧室的工作性能、燃烧效率及可靠性有直接且重大的影响。然而,喷嘴组件众多、结构复杂,尤其内部流道加工困难,导致制造合格率低、周期长、成本高。为解决这一问题,课题组选用激光选区熔化制造技术SLM)一体化成型喷嘴结构,同时考虑到喷嘴为非主承力件和SLM技术成形能力强的优势,可对喷嘴进行拓扑优化和点阵结构优化设计,有效降低喷嘴重量。 

  1.面向增材制造的喷嘴优化设计技术 

  首先分析喷嘴的受力载荷,在安装板位置进行拓扑结构的优化设计,结果显示喷嘴壳体受到的应力较小,远低于GH4169的屈服极限,具有足够的安全性分析结构如图1所示。 

  1  喷嘴壳体拓扑优化 

  点阵结构是三维有序多孔结构的一种,由周期性的点阵桁架组成,可以通过桁架单胞的构型和几何尺寸设计实现其功能性的调控。点阵结构天然的多孔特性和可设计性,具有高强度,传热性能好,减振效果优等多种优良特性,成为结构、功能一体化的优良载体,但可制造性成为了制约其发展的关键瓶颈,增材制造技术为攻破这一难题带来了新的曙光。如图2所示,将点阵结构应用于喷嘴管身处可有效降低喷嘴重量。 

  2 点阵微桁架结构分析 

  2.高性能金属构件激光选区熔化控形控性技术 

  开展航空发动机预旋流喷嘴激光选区熔化增材制造工艺设计,包含工艺路线规划、工艺参数影响分析、工艺控形位姿设计、工艺支撑结构设计,并进行喷嘴零件的成形制造,验证优化设计结构的可加工性,最终成形的零件相对于原工艺总体减13.5%3D打印支撑及实物图如图3所示。 

 

  3 优化工艺模型及带支撑实物图 

  3.打印性能的测试 

  为了对打印性能进行测试,对热处理后的随炉试棒进行拉伸试验,SLM成形的GH4169试棒抗拉强度Rm、屈服强度Rp0. 2、延伸率A等高于GH4169铸件退火标准态,可见SLM 成形件的力学性能较优异。 

 

   4 成型工艺  

  SLM技术一体化设计和打印的喷嘴进行流量实验,如图5所示,在不同进口压力下,喷嘴出口流量均匀,雾化效果好,说明一体化设计及打印的喷嘴内流道壁面结构、精度和表面粗糙度均满足使用要求。 

 

  5 不同进口压力下雾化效果CCD测量图 

  本课题已发表核心期刊论文1篇,申请发明专利两项。本项目为所内其他设计部门提供了各种难加工件的优化设计及制造服务,提升了研究所在制造和工艺方面的能力。 

 
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