完整的点阵夹芯结构整体叶盘工艺链：从设计到3D打印-增材制造，热处理，数控铣削精加工后处理，再到质量保证。

集成点阵夹芯结构的薄壁整体叶盘，来源：Fraunhofer

从设计、打印到后处理、认证的完整工艺链

整体叶盘是单个发动机零件，其中，轮毂和叶片由一整块材料加工而成。通常，涡轮低温压气机侧的整体叶盘由钛合金制成，高温燃烧侧的整体叶盘则需要使用高温合金。

此前，在整体叶盘的制造方面的加工技术以焊接以及数控铣削加工为主，而随着3D打印技术的发展，3D打印技术越来越多的被应用到整体叶盘的加工中。这其中，Fraunhofer开发了集成点阵夹芯结构的整体叶盘。

集成点阵夹芯结构的薄壁整体叶盘，来源：Fraunhofer

Fraunhofer开发的集成点阵结构的整体叶盘是在“欧洲的飞行轨迹2050 – 欧洲的愿景航空”的背景下完成的。“欧洲的飞行轨迹2050 – 欧洲的愿景航空”欧盟委员会致力于通过研究和创新为乘客提供更加安全的飞行技术，并结合环境的可持续发展要求。这个愿景将设计，制造和系统集成的连贯性提到了日程，Fraunhofer的IPT研究所与亚琛工业大学融合了双方的优势，通过粉末床选区金属熔化3D打印技术开发了集成点阵夹芯结构的整体叶盘。

这种集成点阵夹芯结构的整体叶盘由镍基高温合金制成，镍基高温合金材料难以加工，因此通过单纯的依赖数控铣削方式来加工出叶片轮廓是非常耗时且昂贵的。出于这个原因，研究人员采取了增材制造技术：粉末床选区激光熔化金属3D打印技术（LPBF）。研究人员开发了集成点阵结构的整体叶盘的工艺链 – 从设计到增材制造，热处理，数控铣削精加工后处理，再到质量保证。有趣的是所采用的点阵结构在组装期间可以支撑薄壁结构，并且可以在后处理数控机加工期间最小化振动。

3D打印-增材技术的运用带来了许多优点，3D打印使得设计的自由度提升，可以实现更加复杂的几何形状。并且，因为消耗的材料更少，从而保护环境并降低成本。此外，使用增材制造工艺可以更经济地开发和生产更小，更复杂的发动机核心零件，同时减少污染。

Review

国内铂力特在通过3D打印整体叶盘方面拥有多年的经验。铂力特擅长制备大幅面薄壁零件，根据铂力特，由于冷却速度不同，在铸造薄壁结构金属零件时，会出现难以完成铸造或者铸造后应力过大零件变形的情况。这种情况可以由金属3D打印完美解决，通过激光光斑对金属粉末逐点熔化，局部结构的良好控制保证了零件整体的性能。整体叶盘简化了航空发动机结构，提高了发动机推重比，提高了结构的气动效率，而且整体叶盘的刚性好，平衡精度高，从而延长转子使用寿命并提高可靠性。

根据美国国防部的高性能涡轮发动机技术的第三阶段计划，到2020年，战斗机上安装的发动机涡轮都将采用整体叶盘结构。通常，制造整体叶盘可以采用焊接法，通过将单个叶片焊接成叶片环，再将轮盘腹板与叶片环焊接成整体叶盘结构。焊接方法包括电子束焊接，线性摩擦焊接。焊接后通常采用线切割的方式来进行精加工。

当然除了焊接方法，还可以通过五轴数控加工将大量金属材料切除，直接加工出整体叶盘。不过由于叶片间的通道深且窄，数控加工中刀具容易发生干涉，并且材料切除率很高，这影响了五轴数控加工在整体叶盘领域的适用性。

不过，即使通过3D打印出整体叶盘，还是需要通过五轴数控加工来进行精加工。精加工过程中，由于叶片的刚性已经较差，在铣削过程中，容易发生震颤，所以加工的挑战包括如何控制变形与振颤，从而保证叶片尺寸的加工精度公差以及表面光洁度。这其中的解决方案包括顺铣方式、选择合适的切削参数，调整主轴转速以及刀具进给速度等。