國內首款3D打印航空發動機研制背后故事

“發動機上電、點火、達到額定起飛轉速，起飛！”

隨著指令下達，一架長3.3米、翼展2.1米的無人機火箭助推器噴出紅色尾焰，很快，無人機到達6000米高度，飛行時長30分鐘，最大飛行速度0.75馬赫……陜西定邊縣，一款新型航空發動機的首次單發飛行試驗正在開展。

“試飛結果顯示，發動機保持穩定工作，所有參數均符合設計要求，所有零件沒出現任何破壞或失效情況，成功驗證了在高空、復雜環境下的可靠性。”中國航空發動機集團有限公司湖南動力機械研究所的項目負責人米棟介紹。

別看這款發動機個頭不大，但它的意義不一般：這是我國自主研制的首款3D打印渦噴航空發動機，填補了國內發動機整機3D打印工程應用的空白。

對不少人來說，3D打印技術并不陌生。3D打印航空發動機，難在何處？

米棟介紹，與打印普通產品相比，用3D打印技術制造航空發動機，難度指數級增長，需要跨越“消費級制造”與“極限工程制造”的鴻溝。

從材料看，普通產品多使用易加工的樹脂塑料，而航空發動機需使用高溫合金，高硬度難熔、冷卻收縮率大、成分復雜，打印后極易變形開裂；從精度看，普通產品精度要求相對寬松，而航空發動機關鍵零件的精度不能有絲毫偏差；從性能看，普通產品僅需承受輕微外力，而航空發動機渦輪葉片要在手指大小的尺寸上，承載一輛轎車的重量，還要抵住千萬次交變載荷沖擊，不能產生微小裂紋，對性能要求極高。

難度大、要求高，為什么仍要探索3D打印技術制造航空發動機？

“因為該技術有很多獨特優勢。”中國航空發動機集團有限公司湖南動力機械研究所高級工程師文長龍解釋，比如，過去減材制造要對整塊原料切削加工，會造成材料浪費，而3D打印是增材制造，材料利用率高達90%以上。同時，3D打印技術可實現迷宮式冷卻通道、一體化承力結構等傳統加工工藝無法完成的精密設計，設計更加開放靈活。此外，3D打印技術無需調整生產線，即可切換不同產品，小批量、定制化生產能將研發周期縮短30%以上，創新設計落地不斷“加速”。

“在傳統減材制造領域，發達國家有技術積累和裝備優勢。用好3D打印這一新興技術，我國有望憑借新技術研發、完備產業鏈，在航空發動機等關鍵領域突破瓶頸。”文長龍說。

新技術應用并非一帆風順，研制路上難關重重。

“3D打印雖有一體化成型等優勢，但也失去了傳統連接零件的摩擦阻尼效果，發動機振動顯著增大。為攻克難題，研制團隊創新提出‘多學科拓撲優化設計技術與3D打印制造技術深度融合’的思路，攻克了一系列關鍵技術卡點。”中國航空發動機集團有限公司湖南動力機械研究所結構強度研究部副部長錢正明說。

如今，這款新型航空發動機的主要性能已超越同類產品——耗油率降低、推重比提升、零件數減少60%，不僅裝配隱患大幅減少，還簡化了運維流程、降低制造和部署成本，未來可適配測繪、巡檢等中型特種無人機，應用前景廣闊。

“我們將持續優化3D打印技術參數，推進型號試驗驗證，加強與下游企業場景合作，加快實現新型航空發動機規?；a業化應用。”錢正明說。