MTU 航空发动机股份公司：MTU 航空发动机公司增材制造业务概述

摘要：增材制造（AM）是一项前景广阔的技术，仅需使用金属粉末或金属丝作为起始材料，并借助精密的熔化工艺，便能轻松高效地生产零部件。与铣削或车削技术不同，复杂形状和中空的零部件可一步成型。这降低了生产成本，并使全新的 3D 设计得以实现。因此，增材制造在航空航天和航空

长三角G60激光联盟陈长军转载导读：

增材制造（AM）是一项前景广阔的技术，仅需使用金属粉末或金属丝作为起始材料，并借助精密的熔化工艺，便能轻松高效地生产零部件。与铣削或车削技术不同，复杂形状和中空的零部件可一步成型。这降低了生产成本，并使全新的 3D 设计得以实现。因此，增材制造在航空航天和航空发动机行业也备受关注。MTU 航空发动机公司将其增材制造业务重点聚焦于选区激光熔化技术（SLM）。该技术利用金属粉末和激光，以逐层堆叠的方式熔化并构建零部件。本文介绍了为增材制造选定的先导零部件，以及首条生产线的建立方式。特别着重阐述了选区激光熔化过程的质量保证措施。除了标准的无损检测技术外，还开发了一种新型在线监测工具，并将其集成到选区激光熔化设备中。本文还介绍了该技术的基本原理。

自 20 世纪 80 年代末以来，人们就开始对增材制造（AM）工艺展开研究，近年来其中一些工艺已实现商业化应用。借助选区激光熔化（SLM）技术，可以通过对连续金属粉末层进行局部熔化来生产零部件。快速扫描的激光束依据计算机辅助设计（CAD）数据，有选择地熔化金属粉末。与传统制造技术相比，这种方法在设计方面赋予了更大的自由度，同时还具有巨大的经济潜力。因此，它对于几何形状复杂的零部件生产尤其具有吸引力。选区激光熔化是目前应用最为广泛的金属物体逐层制造技术。图 1 以示意图的形式展示了零部件的构建过程。

在 MTU 公司，选区激光熔化技术被用于制造由因科镍 718 合金制成的航空发动机零部件。除了专门安装的选区激光熔化技术设备外，还配备了六台选区激光熔化生产设备（EOSINT M 280），用于研究和改进高品质航空发动机零部件的制造。为了能够更精确地描述和理解选区激光熔化过程的复杂动态，首次开发并应用了一种新型在线过程监测工具。在本文中，我们将介绍 MTU 公司的增材制造战略、整个工艺链的质量保证措施，以及首款用于商用航空发动机的选区激光熔化系列零部件的生产情况。

MTU 公司采用了三步战略来引入和应用增材制造技术。第一步是将该技术用于生产非关键零部件，如工装部件或地面测试发动机模块中负载较低的研发部件。对于这些零部件，增材制造的优势在于与铸造工艺相比，生产时间大大缩短，而且如果同种复杂几何形状的零部件需求量较少，铸造工艺的成本会很高。图 2 展示了构建平台上复杂形状的研磨喷嘴。

第二步是替代航空发动机中已在使用的低负载铸造零部件。要实现这一点，必须确保整个工艺链的质量保证，从金属粉末的质量鉴定开始，到最终零部件的无损检测和计量结束。所有材料、工艺和生产设备都必须满足航空航天行业的高质量要求。此外，还需要展示和证明材料数据（如屈服强度、蠕变性能、低周和高周疲劳性能）的稳定性。首次完成这些工作既昂贵又耗时，但这是进一步使用增材制造技术生产负载更高零部件的基础。

最后，第三步是利用增材制造技术生产全新设计的复杂形状中空零部件，这些零部件在重量和功能方面都经过优化，且无法通过传统铸造工艺生产。

要在航空发动机中使用增材制造的零部件，必须确保整个工艺链的质量。这首先从金属粉末的质量鉴定开始。需要监控化学组成、颗粒大小、形状和粒度分布以及氧污染的最高水平等特性，确保它们符合要求。接下来的步骤是提供稳定可靠的生产工艺。因此，必须测量和控制设备参数，例如惰性气体气氛的组成、激光功率、扫描速度、粉末层厚度以及激光线条的精度。

最后一步是对最终零部件进行检测。为了确保零部件的几何形状正确且与 CAD 几何模型一致，并且零部件没有缺陷，计量和某些类型的无损检测是必要的。为了确定零部件的几何形状，使用了来自 GOM 公司的全自动条纹投影系统。

对于传统的无损检测，MTU 公司采用荧光渗透检测（FPI）和 X 射线断层扫描。这些方法用于筛选出表面有裂纹或内部有诸如空洞和气孔等缺陷的零部件。此外，每次构建作业时，还会在同一平台上制作一些测试样本。这些样本用于获取材料数据并进行金相检验。

不幸的是，生产的零部件内部可能存在一种特殊类型的缺陷，即未熔合缺陷，而上述所有技术都无法检测到这种缺陷。这种缺陷类型既无法通过荧光渗透检测（不暴露于表面）检测到，也无法通过 X 射线检测（几乎没有体积）发现。

这就是 MTU 公司开发在线过程监测工具的原因，以便全面观察熔化过程以及每一层的构建情况。如果熔化过程偏离正常状态，就有可能出现微小的未结合缺陷（尺寸约为 0.1 毫米）。

目前 MTU 公司尚未采用的其他有前景的监测技术，是基于使用传统或激光产生的超声波以及热成像技术对焊接过程进行观察。

为了补充已实施的离线质量保证措施，并避免最终零部件出现 “未熔合” 类型的缺陷，MTU 公司开发了一种名为 “光学层析成像”（OT）的在线过程监测技术。该技术的基本原理相当简单：在熔化过程中，一台具有高横向分辨率的光学 sCMOS 相机对构建平台上的顶层进行观察。这里不采用高速图像捕捉或任何对激光轨迹的快速跟踪方式，而是使用简单的长时间曝光（见图 4a）。如图 4b 所示，在对夜间市区交通进行长时间曝光时，不同车道的交通密度会以亮度的形式显现出来。

将该技术应用于选区激光熔化过程时，零部件轮廓以及每条激光轨迹长度上的激光能量输入都会变得可见（见图 4c）。除了实际的激光轨迹外，该层中任何其他发热、发光的事件也会被记录下来。使用 sCMOS 相机进行这种监测的一个优点是，传感器的灵敏度可延伸至近红外区域。因此，即使是平台顶层上（人眼难以察觉的）非常微弱的发光区域，也能以高信噪比被捕捉到。关于光学层析成像技术更详细的描述可在相关文献中找到。

在每一层的熔化和凝固完成后，会将一张长时间曝光的伪彩色图像存储在个人电脑中。这个过程是实时实现的，因此在整个构建作业过程中不会丢失任何信息。通过该技术可以获取的一些特征包括具有高横向分辨率（约 0.1 毫米）的已构建零部件的几何形状（包括内部结构）、激光能量输入的变化以及可能导致未熔合缺陷出现的正常熔化过程的偏差。

光学层析成像的另一个优势是，可以收集整个构建作业的所有图像，并将它们输入到用于 X 射线断层扫描的 3D 渲染算法中。这样做可以得到整个构建作业和每个生产零部件令人印象深刻的半透明 3D 图像（这也是该监测技术名称的由来）。可能出现未熔合缺陷的区域在尺寸和位置上都会清晰可见。

在将在线监测设备安装并集成到 EOS 设备中后，整个工艺链的质量保证工作就完成了。取得这一成果后，就可以进入增材制造战略的下一步：替代低负载铸造零部件。为此选定的首款零部件是一个内窥镜凸台，它是低压涡轮机壳外部的一个辅助部件。增材制造的该零部件如图 6a 所示，其在机壳上的位置如图 6b 所示。这个零部件是首款用于新型商用发动机 —— 普惠公司的齿轮传动涡扇发动机 PW1100G 的增材制造零部件。