【“威”视制造】美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者
《空天防务观察》此前已先后推出8期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的独家专栏文章（详见本文最后的列表）。本期，刘亚威先生将为我们解读美国通用电气公司的高端增材制造技术发展与应用情况。
事件：2015年4月，美国通用电气公司（下称GE）披露，美国联邦航空管理局（FAA）在2015年2月批准了GE在其GE90-40B发动机中使用增材制造零件——高压压气机温度传感器（T25）外壳。这将是FAA批准GE在其喷气发动机上使用的首个增材制造零件，这一决定是发动机设计史上的一次巨大改变，标志着增材制造正式走入工业皇冠上的明珠——航空发动机的制造，而GE也因此无可争议地成为了高端增材制造技术的领军者。
笔者曾在《增材制造在航空领域的应用趋势与发展重点》一文中指出，基于激光和电子束熔融机理的增材制造技术在航空领域的应用上正在呈现向大型金属承力构件扩展、向发动机热端构件扩展、向复杂复合材料构件扩展这三个重要趋势。发动机热端构件的增材制造无疑是高端增材制造技术的一个代表，也是增材制造需要攻克的制高点之一。
作为世界第一大多元工业集团，GE公司除了在智能制造领域开创“工业互联网”概念先河之外，在高端增材制造技术方面也称得上是著书立传了。无论是从政府层面，还是从工业界层面，都以GE公司的动作最为频繁，在近年来进行了成立实验室、收购制造商、合作搞开发、量产热端构件等一系列提升增材制造水平和研制生产能力的举措。
GE90发动机的T25传感器外壳
尽管竞争对手联合技术公司是增材制造技术的发明者，但GE近年来高调发展自身的航空增材制造能力，把普惠和罗罗远远甩在后面。GE全球研发中心2011年成立了增材制造实验室，2012年收购了领先的增材制造服务商Morris技术公司，2013年发起了增材制造发动机支架设计全球挑战赛，2014年验证了低压涡轮叶片的增材制造，2015年启动了开源的增材制造软件算法开发项目，助力整个美国的增材制造。
目前，能够体现GE增材制造领军者地位的项目主要包括以下几个：
（1）认证保护外壳
高压压气机温度传感器（T25）外壳是GE商用发动机上获得FAA批准的首个增材制造零件，GE航空目前正与波音合作修改超过400台GE90-40B发动机，以安装这些新零件。T25传感器外壳由钴铬合金制造，保护温度传感器脆弱的电子器件，防止其结冰以及被急速气流损坏。通常，GE研制新零件需要数年的设计和原型阶段，然而这次的过程只用了1年。T25传感器外壳2014年10月完成最终设计，2015年2月获得FAA认证，在第二周就投入了使用。传统的铸造工艺永远不可能这么迅速，是增材制造实现了颠覆。
（2）量产燃油喷嘴
经过近10年的研发，GE航空和斯奈克玛自2013年开始采用选区激光烧结（SLS）工艺生产LEAP发动机的燃油喷嘴。该零件传统上由20个零件经铸造、机加、组装和焊接组合制成，现在可以一次成型，寿命延长4倍，重量降低25%。GE航空已经对阿拉巴马州开设的奥本工厂投资超过1.25亿美元，该厂2015年启动了增材制造燃油喷嘴的生产并将供应1000件产品，计划2020年实现年产40000个的目标。目前，GE航空正对装有19个增材制造燃油喷嘴的LEAP发动机进行飞行试验，该部件也有望成为下一个FAA认证件。
LEAP发动机燃油喷嘴
（3）进军涡轮叶片
在新型涡轮叶片的开发中，GE航空已经广泛利用激光烧结等技术制作试验件，即节省了时间，也降低了风险，实现了制造成熟度等级的平稳提高。2014年，GE验证了钛铝合金低压涡轮叶片的电子束熔化（EBM）工艺，钛铝材料刚度高、耐高温（750C），比传统镍基合金轻50%，但铸造后的精加工难度极高，采用增材制造后则可在72小时内生产7片；同年9月，GE宣布考虑将GE9X低压涡轮叶片替换为钛铝合金。如果该目标最终得以实现，每年规模达数百万片的发动机低压涡轮叶片选材和制造工艺将发生变革。
（4）瞄准标准软件
2015年3月，在美国国家增材制造创新机构的支持下，GE联合劳伦斯•利弗莫尔国家实验室（LLNL）启动了开源增材制造软件的开发项目，将为金属选区激光熔融（SLM）工艺开发能够在不同增材制造设备上工作的标准化软件，降低业界应用该工艺的门槛。目前，尽管SLM因其高质量而受到瞩目，但商业SLM设备很多都缺少根据特定类型金属粉末进行定制的功能。比如，这些设备不允许用户访问特定工艺参数信息和刀具路径，因此GE将通过开发算法来控制激光扫描的设置，以匹配材料性能和增材制造参数。
（5）兼顾电子器件
在电子器件的增材制造上，GE研究人员完成的一个课题是超声设备中的探头（传感器），制造这种精密的探头以往需要对材料进行长时间的切削以及磨削。GE使用紫外线增材制造技术将探头上的复杂结构一次“打印”成形，以大大降低其劳动力和生产成本。这项技术使得探头设计更加灵活，而且可以惠及各类超声探头，对于航空结构件检测来说是一个好消息。GE一直在进行紫外线增材制造的实验，除了超声探头，还在寻找在风机中使用该技术的方法，以及设计新的天然气设备零件。
GE激光技术带头人曾说过：“随着制造变得更先进，制造中的激光技术将从专门的应用变为制造工人通用的工具。新的技术工人将像“杰迪武士”一样挥舞激光束，将金属和陶瓷材料切割、焊接和雕刻成零件。”这正是增材制造的魅力所在。高端增材制造技术将大大降低发动机制造难度，未来，GE将继续作为领军者，以崭新的技术打磨这颗工业皇冠上的明珠，使航空发动机能够拥有更颠覆的设计、更优化的结构和更可靠的使用。这也将是增材制造真正大放异彩的时刻。
（本文部分内容参考了航空工业发展研究中心张小伟博士撰写的文章《重大工艺创新推动航空发动机用材和制造工艺变革》，特此感谢）
本篇动向的提供者刘亚威先生已为《空天防务观察》提供8篇“‘威’视制造”专栏文章，如下表：
以上文章引起了广泛关注和较大反响，有兴趣的读者可在本号中搜寻阅读。
（航空工业发展研究中心 刘亚威）
作者简介：
刘亚威，航空工业发展研究中心青年学者，国防制造创新问题研究专家，足迹遍布全球几十个国家，对国外先进制造技术、智能制造、制造成熟度等有深入研究与独到见解。
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