季華增材團隊在航空構件上的創(chuàng)新設計與應用

近日，季華實驗室航空增材團隊經(jīng)過歷時3個月研究，完成了多項航空構件的創(chuàng)新設計與優(yōu)化，并利用選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）技術完成了相應構件的成形、性能測試優(yōu)化與驗證工作，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航空構件的開發(fā)，取得了較好的物理性能。

季華實驗室航空增材團隊以SLM技術為核心工藝發(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，具備從零部件“結構設計及優(yōu)化—結構仿真及成形模擬—專用材料開發(fā)—工藝優(yōu)化—材料性能優(yōu)化—質量檢測”完整的研發(fā)能力，針對航空航天等行業(yè)內(nèi)現(xiàn)存在的技術難題進行專題研究與突破，主要研究項包括：

1、航空換熱器

SLM技術充分釋放了零部件的設計自由度，設計工程師通過增材制造設計思維可以設計出極具復雜形狀的零部件，讓零件的結構設計實現(xiàn)自由化。季華實驗室航空增材團隊利用SLM的這一技術優(yōu)勢，針對提升航空發(fā)動機換熱效率課題，通過換熱計算及結構仿真模擬，設計出具有復雜內(nèi)腔結構的新型航空換熱器，初步實現(xiàn)了SLM技術成形一體化。成功開發(fā)出的2種復雜結構航空換熱器，不僅滿足了應用需求且大幅度提升了整體力學性能，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技術在航空換熱器領域的創(chuàng)新應用提供了先例。

▲季華實驗室航空增材團隊“設計-成形-測試”的二號新型航空換熱器

2、新型熱交換器

SLM技術可以實現(xiàn)復雜結構件的快速制造與迭代升級，極大的縮短了新型高端裝備的研制周期，從而降低了整個產(chǎn)品的綜合成本，提升了產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。季華實驗室航空增材團隊利用SLM這一技術優(yōu)勢為BEKAERT集團就提升換熱效率而設計開發(fā)了新型熱交換器，對比傳統(tǒng)加工技術1個月以上的制造周期，SLM技術將整體制造周期縮短，1周時間就可以完成換熱效率的驗證與測試，同時通過創(chuàng)新結構設計，體積與重量均在原型換熱器基礎上降低50%。

▲季華實驗室航空增材團隊“設計-成形-測試”的新型交換器樣件

3、火焰筒

航空發(fā)動機燃燒室承擔著熱能傳遞與轉換的關鍵任務，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。為滿足正常工作所需的可靠性和效率，火焰筒有數(shù)百個不同尺寸、結構復雜的氣孔細節(jié)設計，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。這些復雜的結構和特征導致零件設計難以使用傳統(tǒng)工藝制造。季華實驗室航空增材團隊利用“增材思維”進行結構上的設計優(yōu)化，將原先需要分成多個構件加工的火焰筒優(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構缺陷，提高了結構完整性、尺寸精度和生產(chǎn)成功率。同時在滿足相同強度要求的前提下，減輕了構件重量，提高了燃油燃燒效率，是航空增材團隊利用SLM技術在航空領域的又一創(chuàng)新應用。

▲季華實驗室航空增材團隊“設計-成形-測試”的航空熱端部件火焰筒