季華增材團(tuán)隊(duì)在航空構(gòu)件上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用

近日，季華實(shí)驗(yàn)室航空增材團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)歷時(shí)3個(gè)月研究，完成了多項(xiàng)航空構(gòu)件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并利用選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）技術(shù)完成了相應(yīng)構(gòu)件的成形、性能測(cè)試優(yōu)化與驗(yàn)證工作，其中包括航空換熱器、新型熱交換器、熱端部件火焰筒等多項(xiàng)航空構(gòu)件的開(kāi)發(fā)，取得了較好的物理性能。

季華實(shí)驗(yàn)室航空增材團(tuán)隊(duì)以SLM技術(shù)為核心工藝發(fā)展路線，從創(chuàng)建伊始就以“全流程”增材制造理念為出發(fā)點(diǎn)，具備從零部件“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化—結(jié)構(gòu)仿真及成形模擬—專(zhuān)用材料開(kāi)發(fā)—工藝優(yōu)化—材料性能優(yōu)化—質(zhì)量檢測(cè)”完整的研發(fā)能力，針對(duì)航空航天等行業(yè)內(nèi)現(xiàn)存在的技術(shù)難題進(jìn)行專(zhuān)題研究與突破，主要研究項(xiàng)包括：

1、航空換熱器

SLM技術(shù)充分釋放了零部件的設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)工程師通過(guò)增材制造設(shè)計(jì)思維可以設(shè)計(jì)出極具復(fù)雜形狀的零部件，讓零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自由化。季華實(shí)驗(yàn)室航空增材團(tuán)隊(duì)利用SLM的這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)換熱效率課題，通過(guò)換熱計(jì)算及結(jié)構(gòu)仿真模擬，設(shè)計(jì)出具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的新型航空換熱器，初步實(shí)現(xiàn)了SLM技術(shù)成形一體化。成功開(kāi)發(fā)出的2種復(fù)雜結(jié)構(gòu)航空換熱器，不僅滿(mǎn)足了應(yīng)用需求且大幅度提升了整體力學(xué)性能，相較于傳統(tǒng)制造方式的換熱器換熱效率提升20%左右，為SLM技術(shù)在航空換熱器領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供了先例。

▲季華實(shí)驗(yàn)室航空增材團(tuán)隊(duì)“設(shè)計(jì)-成形-測(cè)試”的二號(hào)新型航空換熱器

2、新型熱交換器

SLM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速制造與迭代升級(jí)，極大的縮短了新型高端裝備的研制周期，從而降低了整個(gè)產(chǎn)品的綜合成本，提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。季華實(shí)驗(yàn)室航空增材團(tuán)隊(duì)利用SLM這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)為BEKAERT集團(tuán)就提升換熱效率而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型熱交換器，對(duì)比傳統(tǒng)加工技術(shù)1個(gè)月以上的制造周期，SLM技術(shù)將整體制造周期縮短，1周時(shí)間就可以完成換熱效率的驗(yàn)證與測(cè)試，同時(shí)通過(guò)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積與重量均在原型換熱器基礎(chǔ)上降低50%。

▲季華實(shí)驗(yàn)室航空增材團(tuán)隊(duì)“設(shè)計(jì)-成形-測(cè)試”的新型交換器樣件

3、火焰筒

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室承擔(dān)著熱能傳遞與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵任務(wù)，并承受著高溫、高壓、高腐蝕性氣體等極端工作條件，因此極易產(chǎn)生裂紋、燒蝕、剝落、變形等失效情況。為滿(mǎn)足正常工作所需的可靠性和效率，火焰筒有數(shù)百個(gè)不同尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣孔細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，包括一次空氣射流孔、二次空氣摻混射流孔和冷卻空氣射流孔。這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特征導(dǎo)致零件設(shè)計(jì)難以使用傳統(tǒng)工藝制造。季華實(shí)驗(yàn)室航空增材團(tuán)隊(duì)利用“增材思維”進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)優(yōu)化，將原先需要分成多個(gè)構(gòu)件加工的火焰筒優(yōu)化為整體部件，采用優(yōu)化的SLM工藝一次性整體成形。相比傳統(tǒng)制造，不僅優(yōu)化了工藝流程，縮短了50%的制造周期，更消除了因焊接造成的結(jié)構(gòu)缺陷，提高了結(jié)構(gòu)完整性、尺寸精度和生產(chǎn)成功率。同時(shí)在滿(mǎn)足相同強(qiáng)度要求的前提下，減輕了構(gòu)件重量，提高了燃油燃燒效率，是航空增材團(tuán)隊(duì)利用SLM技術(shù)在航空領(lǐng)域的又一創(chuàng)新應(yīng)用。

▲季華實(shí)驗(yàn)室航空增材團(tuán)隊(duì)“設(shè)計(jì)-成形-測(cè)試”的航空熱端部件火焰筒