先進航空發(fā)動機朝著高推質比、高可靠性、長壽命和經濟可承受性的方向發(fā)展，苛刻且相互矛盾的指標要求航空發(fā)動機關重件構型復雜、輕質高效。傳統(tǒng)的“減材”制造技術面臨生產周期長、成品率低、制造成本高等挑戰(zhàn)，成為制約先進航空發(fā)動機研發(fā)的瓶頸。變革性的“近凈成形”增材制造技術，因具有一體化成形、無需模具、制造成本低等優(yōu)點，最早被美國聯(lián)合技術研究中心（UTRC）嘗試用于渦輪葉盤一體化制造，隨后通用電氣（GE）、羅爾斯-羅伊斯（RR）等航空發(fā)動機企業(yè)也開始應用增材制造技術加工或修復零部件。例如，GE公司在GE9X、Leap 系列航空發(fā)動機中已成功應用增材制造技術成形了燃油噴嘴、傳感器外殼、熱交換器、渦輪葉片等10 余種結構。Safran、MTU等發(fā)動機公司增材制造了燃油噴嘴、燃燒室機匣等結構，提升了生產效率。中國航發(fā)湖南動力機械研究所采用增材制造技術加工了微型渦噴發(fā)動機，將近百個零件集成制造為10個，包括增材制造成形的壓氣機/渦輪的整體葉盤結構，并成功通過某型渦噴發(fā)動機試車。

圖1 拓撲優(yōu)化后增材制造航空發(fā)動機泄壓門鉸鏈

增材制造技術給航空發(fā)動機復雜結構的加工提供了新的途徑，但在能量源“逐點掃描熔化－逐線掃描搭接－逐層凝固堆積”的過程中，粉末/絲材局部熔化形成熔池，熔池內殘留未完全恢復的“匙孔”，導致增材制造結構內部存在廣布缺陷；且受限于加工可達性，復雜結構（如渦輪葉片）內部空腔等關鍵部位殘留粉末等表面缺陷。另外，增材制造結構不同部位處的晶體形貌、內部/表面缺陷等具有顯著差異，導致結構強度、疲勞壽命與結構特征密切相關且表現出大的分散性。為此，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA） 、歐洲航空安全局（EASA）分別于2018 年、2021 年發(fā)布的《粉末床熔融增材制造成形渦輪發(fā)動機零件及修復指南》建議稿、《增材制造認證備忘錄》等適航認證文件中指出，需發(fā)展適用于航空發(fā)動機增材制造結構的強度及壽命評價方法。

圖2 基于點陣結構的空心風扇葉片設計

目前航空發(fā)動機增材制造結構在無損檢測技術與初始缺陷表征、強度預測方法、壽命評估方法及創(chuàng)新結構一體化設計方面的研究進展，得到主要結論如下：

1）渦流、超聲等技術可以檢測增材制造簡單結構近表面及內部缺陷，借助這些方法，實現增材制造結構初始缺陷形貌的量化表征，進而建立缺陷空間取向與增材制造方向的關聯(lián)規(guī)律。

2）基于CT 檢測的原位試驗方法，揭示了單軸拉伸、循環(huán)拉伸等典型載荷下缺陷演化機理，發(fā)展了用于預測拉伸極限、延伸率等性能的塑性損傷模型，實現了增材制造發(fā)動機離心葉輪破裂轉速的準確預測。

3） 發(fā)展了以初始缺陷等效參量為輸入的增材制造材料級壽命模型，實現了增材制造標準試樣、缺口試樣的高循環(huán)疲勞、低循環(huán)疲勞壽命預測。

4）考慮增材制造工藝約束、強度、多物理場服役環(huán)境等因素，發(fā)展了航空發(fā)動機增材制造結構一體化設計方法，并開展了齒輪箱殼體、離心葉輪、整體葉盤等創(chuàng)新構型的設計與試驗驗證。

為了進一步推動航空發(fā)動機增材制造結構的實際應用，仍需開展以下幾個方面的研究：

1） 在試驗數據方面，國內外學者針對增材制造材料的拉伸、高循環(huán)及低循環(huán)疲勞等開展了試驗研究，但仍處于零散、樣本量少的狀態(tài)。需針對航空發(fā)動機選用的材料開展系統(tǒng)且深入的試驗研究，擴大數據樣本，表征材料力學特性及分散性。同時，渦輪葉盤等熱端結構長期工作在復雜、嚴苛的載荷環(huán)境中，現有研究仍無法滿足增材制造熱端結構設計的需求，仍需針對復雜失效模式開展蠕變、蠕變-疲勞等試驗研究。

2） 航空發(fā)動機空心氣冷渦輪葉片、雙輻板渦輪盤等結構具有復雜內腔與幾何不連續(xù)特征。采用增材制造工藝成形后，結構局部呈現大應力梯度-缺陷-表面粗糙度多因素耦合特征。如何實現復雜結構的缺陷-表面粗糙度表征，闡明多因素耦合下的失效機理，并建立相應的強度、壽命評估方法仍是當前應用的難點。