摘要：长三角G60激光联盟陈长军导读：增材制造（AM）作为一种通过逐层堆积材料来构建零件的新兴快速制造技术，凭借无需工具即可生产复杂几何形状等独特能力，在燃气涡轮部件等复杂精细结构的制造领域展现出巨大潜力。本文综述了现有金属增材制造技术及材料在燃气涡轮发动机部件制造

长三角G60激光联盟陈长军导读：增材制造（AM）作为一种通过逐层堆积材料来构建零件的新兴快速制造技术，凭借无需工具即可生产复杂几何形状等独特能力，在燃气涡轮部件等复杂精细结构的制造领域展现出巨大潜力。本文综述了现有金属增材制造技术及材料在燃气涡轮发动机部件制造中的适用性，指出该技术在飞机燃气涡轮部件制造方面已取得令人期待的进展。文中涵盖了增材制造技术的分类（如按构建体积分为小、中、大型，按材料输入形式分为粉末床、粉末进料、线材进料等）、适用的金属材料（如钛合金、镍基超级合金等），分析了其用于燃气涡轮部件的优势（如生产功能集成产品、材料利用率高、与优化设计协同、利于可持续生产等）及在压气机、燃烧室、涡轮等不同部件上的具体应用情况，同时探讨了当前存在的局限性（如大型技术占比低且支持材料有限、适用于燃气涡轮部件的材料少、部分技术制造的零件力学性能欠佳等），并展望了未来趋势（如解决打印尺寸问题、开发更多适用材料、推进多材料成分和特定合金的生产、实现单晶部件制造和修复等）。总体而言，尽管增材制造仍面临挑战，但在燃气涡轮发动机部件生产领域前景广阔。

增材制造（AM）是近几十年来发展迅速的数字制造技术。ASTM 标准将这种制造方法定义为 “一种根据 3D 模型数据，通常通过逐层叠加材料来制造物体的过程，与减材制造方法相反。同义词包括：增材制造、增材工艺、增材技术、增材层制造、层制造和自由成形制造”。该技术于 20 世纪 80 年代末由 Charles Hull 首次申请专利，当时的立体光刻设备（SLA）是一种使用紫外线（UV）光固化聚合物树脂的工艺。在过去 30 年中，该技术取得了广泛的进步，在许多方面都有改进，包括加工技术和材料。目前有许多技术可用，它们采用完全不同的加工方法，使用不同类型的材料，从聚合物到陶瓷和金属。这些技术中使用的加工方法通常分为七类，即：材料喷射、粘合剂喷射、材料挤出、粉末床熔融、片层压和定向能量沉积。尽管增材制造技术使用不同的工艺，但它们通常采用以下类似步骤，从计算机辅助设计（CAD）模型的准备到精加工过程：

近年来，增材制造市场增长非常迅速。瑞士信贷的一份报告对增材制造市场趋势的估计（如图 3 所示）充分证明了该技术的进步。系统、材料、直接零件制造、服务和零件方面的趋势都显示出该技术的快速增长。

图 1：全球增材制造市场趋势

增材制造具有传统制造技术无法实现的独特潜力。这些包括能够生产复杂的几何形状、复杂的多材料成分、分层不同的内部结构（晶格结构）和完全集成的功能组件。此外，与传统制造技术相比，增材制造技术的实施具有许多优势，如大规模定制、按需制造、分散制造、真正的设计优化等。由于增材制造技术是在设计模型的指导下使用增材工艺生产零件，因此该技术能够生产非常复杂的几何形状，无需任何工具，且无需额外成本。在传统制造中，那些可能提高系统性能（如在航空航天、汽车和生物医学领域）的复杂几何形状需要简化以适应工艺能力，或者需要昂贵的工具和夹具来生产这些零件。此外，为承受高热机械载荷的燃气涡轮部件制造梯度材料成分，以及对高价值部件进行修复和再制造而不是更换它们，也是上述领域的优势之一。有报道称，与传统制造技术相比，增材制造与轻量化设计具有协同作用，在生产可持续产品方面显示出令人期待的进展。然而，尽管该技术在这些领域的应用具有吸引力，但尚未得到充分探索和报道。因此，本文的目的是回顾该领域的现有文献，并研究基于金属材料的增材制造技术在燃气涡轮应用中的研发潜力。

增材制造（3D 打印）技术在燃气轮机领域应用广泛：

GE 9HA 燃气轮机

应用部件：燃烧室燃料喷嘴和预混器。

技术原理：采用 3D 增材制造工艺，通过 2D 激光逐层扫描，历经 3000 - 7000 次扫描打印，再经电火花线切割与基座分离。微孔预混技术配合密集进气孔，实现燃料与空气更好混合，达成启停过程全预混燃烧模式。

性能提升：助力 GE 9HA 燃气轮机联合循环效率达 62.22%，打破吉尼斯世界纪录。出力较传统制造方法增加 1%，以法国布尚电厂机组为例，可额外满足约 6800 个家庭用电需求。在最低负荷至 30% 的工况下，氮氧化物排放仅有 25ppm。

应用情况：法国、俄罗斯、巴基斯坦、日本等多国电厂已部署，中国华电天津军粮城项目也引入该型号燃机。

本文的结构如下：第 2 节讨论金属材料的增材制造，详细阐述其技术和材料。第 3 节讨论增材制造在燃气涡轮部件生产中的应用，第 4 节讨论使用增材制造技术制造燃气涡轮发动机部件的可能性。第 5 节涉及当前增材制造技术和材料在该领域应用的局限性。第 6 节将介绍该技术的未来趋势和前景，最后，第 7 节得出一些结论。

金属增材制造技术是增材制造应用的核心技术，三种最适用的金属打印工艺是激光烧结、激光熔化和激光金属沉积。一般来说，该技术可以根据不同方面进行分类，包括材料输入形式、构建体积和能源。在表 1 中，不同的技术根据其构建体积相对分为小、中、大三类。基于所采用的金属材料形式，金属增材制造技术的进一步分类包括：

表 1. 基于构建体积的增材制造技术分类

粉末床增材制造技术如（图 1）所示，逐层固化金属粉末。一旦粉末床上的一层粉末被激光束等能源熔化，沉积的层通过粉末颗粒融合在一起而凝固。然后，构建活塞向下移动一步（一层）；因此，送粉活塞向上移动提供下一层金属粉末，然后通过辊子或耙子将粉末铺平。接着，这层粉末再次被激光固化。重复此过程，直到零件完成。采用粉末床系统的技术包括电子束熔化（EBM）、直接金属激光烧结（DMLS）、激光熔覆（LaserCUSING）、选择性激光熔化（SLM）等。

图 2. 粉末床增材制造技术示意图

粉末进料增材制造技术与其他技术一样，逐层构建零件。（图 2）显示了该系统的构建过程，其中来自粉末供应源的金属粉末通过送粉器喷射到基板上。一旦第一层粉末被激光束熔化并凝固，送粉器再铺展下一层粉末，重复此过程直到零件完成。激光熔覆（LC）、激光工程化净成形（LENS）和直接金属沉积（DMD）是粉末进料增材制造技术的例子。

图 3. 粉末进料增材制造技术示意图

线材进料增材制造技术如（图 3）所示，以逐层方式用金属线材构建零件。线材通过送丝机输送到基板上，根据特定技术，利用电子束或等离子体将其熔化并凝固。该技术被认为是生产有限复杂性的大型部件的有前景的技术。电子束增材制造（EBAM）和快速等离子沉积（RPD）是主要的线材进料增材制造技术。

图 4. 线材进料增材制造技术示意图

增材制造技术最初始于使用塑料树脂；仅在十年后，才能够增材制造金属材料。由于该技术采用与传统制造技术不同的加工方法，并非所有在传统方法中使用的材料都能直接应用于增材制造。

金属材料通常坚硬且强度高，具有优异的机械性能。由于其优越的性能，金属材料被用于需要高强度、高科技和耐高温的不同工程应用领域。如前所述，金属材料以各种形式用于不同的增材制造技术：粉末、箔和线材。金属粉末有两种使用方式：粉末床和粉末进料。金属粉末用于 SLM、DMLS、DMD、EBM 等方法。

表 2. 增材制造工艺可用金属材料概述

表 3. 增材制造工艺可用金属材料概述

在以线材形式使用金属材料的增材制造技术中，EBAM 技术是其中之一。该系统采用不同的金属材料，如钛及钛合金、镍合金、钽、钨、铌、不锈钢、铝合金、锆合金和铜镍合金，均为线材形式。另一个以线材形式使用钛合金（Ti6Al4V）的系统是 RPD。

增材制造技术通过直接从 3D CAD 模型追踪零件的横截面，逐层生产零件。如引言部分所述，该技术与传统制造技术相比有许多优势，包括生产功能集成产品、高效利用材料、与复杂几何形状的优化设计协同以及制造技术的可持续性。本节将讨论增材制造技术的这些优势，这些优势使其成为生产燃气涡轮发动机部件的有前景的生产技术。

生产完全集成的产品是增材制造的优势之一。由于该技术允许零件的整合和功能集成，因此可以在一次制造中生产完全集成的功能设备，而不仅仅是单个零件。零件的功能集成减少了零件数量，从而减少了组装过程中遇到的挑战。这对于燃气涡轮发动机部件可能至关重要，因为它可以以低得多的价格生产完全组装好的压气机或涡轮。一份报告显示，增材制造与其他新技术的结合使设计师、工程师和材料专家能够将

855 个独立部件整合为仅 12 个部件，为一款新型先进涡轮螺旋桨发动机减轻了超过 45 千克的重量，燃油消耗降低了近 20%，发动机功率提升了 10%，并简化了维护工作。

在航空航天工业中，买料与飞件比约为 20:1，即生产 5 千克的最终产品需要 100 千克的输入材料。这意味着剩余的 95 千克材料成为废料，需要进行再加工或回收。这是因为许多燃气涡轮发动机部件必须满足极高的要求。然而，由于增材制造技术通过逐层添加零件的横截面来生产零件，它减少了废料或实现了零废料。因此，增材制造可以大幅减少废料量，从而将燃气涡轮发动机部件的生产成本降低几个数量级。

增材制造与优化设计的协同作用是另一大优势。设计优化是一种节省时间、材料和能源的强大设计方法。尽管它很早就开始考虑现有的传统制造技术，但现有的制造技术并没有很好地从这种设计方法中受益，因为生产优化设计存在制造限制。对于燃气涡轮发动机部件，大多存在极端要求，这导致零件几何形状非常复杂，因为性能会随着复杂性的增加而提高。此外，由于大多数燃气涡轮发动机部件（压气机和涡轮叶片、喷嘴）的几何形状非常复杂，通过应用增材制造技术可以轻松实现它们的生产。例如，涡轮叶片的翼型形状需要特殊的几何设计以获得良好的气动性能。形状的微小偏差可能会对其性能产生重大影响，因此控制翼型形状是关键的设计步骤。此外，当复杂性增加时，传统制造技术会面临挑战，因为复杂零件需要通过螺母、螺栓、铆钉和焊接来组装各个零件，从而降低了部件的可靠性。另一方面，增材制造技术为设计师提供了更大的设计自由度，并有助于生产现有制造技术无法生产的复杂零件拓扑结构，因为在生产复杂拓扑结构方面几乎没有限制。因此，设计优化可用于通过修改发动机零件的拓扑结构来减轻其重量，同时保持其功能要求并提高其性能。

生产可持续产品是航空航天和汽车等许多行业的另一项主要要求。生产技术的选择在提高部件生产的可持续性方面起着重要作用。尽管关于增材制造技术的可持续性评估的研究有限，但有迹象表明，与传统制造技术相比，该技术在生产可持续产品方面呈现出良好的趋势。因此，尽管需要进一步研究进行评估，但增材制造技术似乎正在成为实现可持续航空航天产品生产的优选技术。

燃气涡轮发动机可分为飞机燃气涡轮发动机、重型燃气涡轮发动机和轻型工业燃气涡轮发动机。本文的范围仅限于飞机燃气涡轮发动机，它是为整个飞机提供动力的关键飞机部件。（图 4）显示了发动机部件及其相应的温度、压力和速度分布。从图中可以看出，压力从入口到低压压气机逐渐增加。然而，从高压压气机的入口开始，压力急剧增加。而温度和速度从燃烧室入口到出口急剧上升，如图 4 所示，从约 700°C 接近 1350°C，燃烧室中的火焰温度可超过 2000°C。温度从涡轮入口到出口逐渐降低，即使在涡轮出口，温度也高于 1000°C。以下小节将讨论用于这些主要发动机部件的现有金属增材制造材料，并分析增材制造技术在生产这些部件方面的现状。

压气机是发动机中负责向燃烧室提供足够压力空气的部件。大多数燃气涡轮发动机有两个压气机：低压压气机和高压压气机，它们在不同的工作温度下运行（图 4）。低压压气机通常在相对较低的温度下工作，约为 350°C，而高压压气机在 500°C 至 600°C 以上的温度下工作。为了保证功能有效性，压气机必须由能够承受这些中等高温和压力的材料制成。

图 5.（上）罗尔斯・罗伊斯康威燃气涡轮发动机系统和（下）燃气涡轮发动机系统的温度、压力和速度分布

在这些部件使用的材料中，钛合金（如 Ti64、Ti6242 和 Ti6246）因其高的强度重量比而被广泛使用。如 2.2 节所述，这些材料是可用的增材制造金属材料。SLM、EBM、RPD、LENS 等增材制造技术支持 Ti64 和 Ti6246 材料的制造，因此这些工艺可用于生产低压压气机盘和叶片，因为这些材料分别能够承受约 325°C 和 450°C 的高温。此外，对于高压压气机部件，可以采用 LENS 增材制造系统，因为它是唯一支持 Ti6242 材料的系统，该材料能够承受约 540°C 的温度。

燃烧室是燃气涡轮发动机中燃料和空气混合物燃烧的部分。从图 4 可以看出，该部分的工作温度高于高压压气机的工作温度。因此，用于该部分的材料必须能够承受这种高温以及在该高温下的蠕变。出于这个原因，镍基超级合金开始发挥作用。在燃烧室使用的材料中，哈氏合金 X 和因科镍 718 镍合金是增材制造中可用的金属材料（见 2.2 小节）。这两种材料，哈氏合金 X 和因科镍 718，分别可用于燃烧室的火焰筒和外壳，因为它们具有高的蠕变强度以及耐腐蚀性和抗氧化性。通过冷喷涂（正成为一种增材制造技术），还可以采用功能梯度材料打印或热障涂层来提高燃烧室的性能。

涡轮是燃气涡轮发动机中接收来自燃烧室的热空气并将其向外膨胀的部分。由于进入涡轮的空气温度很高，涡轮材料必须能够承受这种高温。由于这种高温对涡轮叶片的应力作用，涡轮材料会通过蠕变机制、热疲劳和环境侵蚀而损坏。为了克服蠕变，涡轮叶片设计中采用了热涂层和超级合金。对于涡轮盘，在增材制造可用的金属材料中，因科镍 718 可被使用，因为它具有高的蠕变强度；大多数增材制造技术都使用这种材料。涡轮叶片具有非常复杂的形状，并且主要在高温下工作，这意味着需要采用高性能材料和特殊制造工艺。在可用的增材制造金属材料中，Rene 142 可用于涡轮叶片，因为它具有优异的高温性能，可采用 LENS 技术，因为它是唯一支持这种材料的技术。

增材制造技术随着时间的推移不断改进，正成为一种很有前景的制造技术。如果能够克服其他地方讨论的一般局限性以及以下列出的局限性，增材制造技术在燃气涡轮部件生产中的应用是可以实现的。

在第 2 节中，基于不同方面对增材制造技术的不同类别进行了介绍。燃气涡轮发动机部件根据其特定应用领域具有不同的尺寸范围。基于燃气涡轮发动机部件的尺寸，可以应用这些增材制造技术。在基于尺寸的类别中，大多数技术属于中小型范围，而大型增材制造技术仅占约 25%。此外，大型增材制造技术仅支持有限种类的材料，尽管本文未详细说明。

在第 2 节中，讨论了不同增材制造技术可用的金属材料。从表 2 和表 3 中的材料列表来看，只有少数材料适用于燃气涡轮发动机部件。此外，有报告概述了适用于燃气涡轮发动机部件的合格金属材料。此外，在合格材料列表中，目前可用的材料类型非常有限，如钛基合金和镍基合金。在这方面，需要大力开发新材料，以便增材制造技术能够应用于不同的工程应用，包括燃气涡轮发动机部件的生产。

增材制造是一种强大的制造技术，能够生产非常复杂的形状，如压气机和涡轮叶片，且材料浪费少或无浪费。此外，具体而言，如果采用能够生产单晶或定向凝固叶片的制造技术，涡轮叶片的生产可能会具有优势。这是因为涡轮叶片的失效主要是由沿晶界的空洞形核和生长引起的；如果通过制造消除横向晶界，可以有效降低失效概率。这是因为这些零件可以表现出优异的蠕变性能和更高的工作温度。因此，对于不同的增材制造技术，需要开发生产单晶和 / 或定向凝固零件以及金属间化合物的能力。

此时需要提出的另一个重要问题是，选择性激光熔化增材制造的金属零件由于该工艺的快速冷却特性导致的残余应力而存在早期开裂，从而导致力学性能较差。然而，近年来，在这一领域已经取得了令人关注的进展：通过优化系统的工艺参数，增材制造零件的力学性能正变得越来越接近传统制造技术生产的零件。此外，后处理（如热处理和精加工）可以缓解这些问题。还有像 EBM 这样的系统在真空环境下工作，这最大限度地减少了残余应力问题。此外，需要进一步研究为每种技术开发标准化的加工方法，以实现零件所需的力学性能水平。

在过去三十年中，增材制造技术和增材制造材料的开发取得了进步。这些进展主要是为了使该技术成为一种很有前景的制造技术，特别是对于生产非常复杂的零件。如果该技术保持如下所述的当前发展速度，它可以成为燃气涡轮部件的替代生产方法。

如前一节所讨论的，关于增材制造在燃气涡轮部件生产中的应用，该技术目前存在一些局限性。打印尺寸是增材制造机器的关键局限性之一。对于大多数系统，能够生产的最大零件尺寸在中小型范围内，体积约为 0.125 立方米。从表 1 可以看出，四分之一的系统属于大尺寸类别。然而，如果增材制造技术目前的进展继续下去，打印尺寸问题可以在不久的将来得到解决，并且可以实现许多大容量系统。

适用于燃气涡轮部件生产的材料的可用性是当前增材制造技术实现这些部件生产的另一个局限性。如果机器制造商和冶金公司双方都能推进适用于这些部件生产的材料、金属间化合物、氧化物弥散强化（ODS）合金和其他超级合金的开发，可以预见增材制造技术将成为未来燃气涡轮部件的生产方法。此外，大型增材制造技术的可用材料也有限，需要大量工作来开发适用于大型增材制造机器的新材料，以使用这些技术生产燃气涡轮发动机部件。

增材制造技术正在为生产复杂的多材料组合物铺平道路。该技术的这一潜力也为金属间化合物的生产打开了大门，因为与镍基合金相比，它们具有高温蠕变抗性和轻量化特性。Murr 等人报道了使用电子束熔化增材制造生产钛铝化物（γTiAl 和 γ/α2-Ti3Al）合金的可能性。

使用气体钨极电弧焊的增材层制造也被提出作为通过钛和铝两种线材的原位合金化生产钛铝化物（γ-TiAl）合金的替代制造技术。

使用增材制造技术在超级合金表面开发 ODS 合金也是另一项很有前景的进展，因为 ODS 合金是用于喷嘴和叶片的先进高温材料，能够在接近其熔点的较高温度下保持有用的强度。这是由于均匀分散的稳定氧化物颗粒起到了位错运动的屏障作用。该技术的这些进步可以使复杂零件的生产以较低的价格可行。不同的研究人员已经发明并申请了可用于生产单晶燃气涡轮叶片、使用增材制造修复它们的方法。如果这些方法在未来几年内商业化并实现，这将是燃气涡轮发动机部件生产的一个突破。这是因为单晶零件没有晶界，因此避免了由于晶界处的裂纹萌生和扩展导致的失效。

本综述表明，增材制造技术在技术和材料开发方面都在进步。该技术具有许多优势，使其成为未来航空航天部件的制造技术。尽管该技术尚未成熟，还有许多挑战和局限性需要克服，但它在不同领域（包括燃气涡轮发动机部件生产）的应用呈现出良好的趋势。还可以明确地说，尽管目前只有少数适用于燃气涡轮发动机部件生产的材料，但近年来该领域的发展显示了该技术的建设性进展。尽管增材制造技术在尺寸、材料类型和生产能力方面的局限性仍然存在，但该技术在向数字制造的必要转型中做出了巨大贡献，这非常适合优化设计。这对于提高具有复杂几何形状的系统（如燃气涡轮机）的性能具有明显的好处。

来源：江苏激光联盟