重大突破：我国多金属3D打印航空发动机整体涡轮叶盘，首次通过试车考核！

3D打印技术参考于1月20日注意到，中国科技网发表文章指出，中科院工程热物理研究所采用多金属3D打印制造的整体涡轮叶盘首次通过点火试车考核。

这是3D打印领域的一项重要突破，主要原因在于：这是全球3D打印行业内首次有报道多材料金属3D打印的高速旋转部件通过试车；这同时代表我国在多材料金属3D打印应用方面取得领先。

长期以来，多材料金属3D打印一直是全球领先机构研究的热点。科研技术人员需要解决异种材料连接以及应当采用怎样的形式进行连接等核心问题。目前报道较多的应用，多数是零件本身不需要高速运动，属于相对静态工作部件，如散热器、火箭发动机燃烧室等。而涡轮叶盘不一样，它需要高速运动。

图文无关，仅作演示发动机运行过程

报道指出，此次测试的涡轮叶盘采用两种材料制造——盘芯采用高韧性材料，叶片采用耐高温材料，由3D打印技术实现一体化制造。

该叶盘被被配装在100公斤推力的涡喷发动机中，先后通过了动平衡试验、超转试验和整机点火试车，在30000RPS转速下60s稳定工作，各项指标满足考核要求。它的重大意义就在于，首次实现了多金属增材制造航空发动机热端转动部件点火试车，初步验证了多金属3D打印整体涡轮叶盘的稳定性和可靠性。

整体涡轮叶盘点火试车（受访者供图，来自中国科技网）

虽然报道并未指出所采用的3D打印形式，从理论上讲，可以采用LPBF+DED，LPBF+冷喷涂，以及单一LPBF等技术形式。但笔者认为最可能是，它是由单一的激光粉末床熔融技术制造。

对此，笔者特意查询了中科院工程热物理研究所关于多材料金属3D打印的专利，确有惊喜发现。该单位目前已获得多项关于激光粉末床熔融多材料3D打印的专利，涉及吸粉路径规划方法、送粉路径规划方法以及整体增材制造系统。

➡️解决多材料金属3D打印制造效率低和尺寸小的难题

对于LPBF多材料金属3D打印而言，在材料方面最困难的是过渡问题，在设备方面最难破解的是粉末的混杂问题。针对粉末混杂，目前的主流方式是采用“独立运动送粉+独立运动吸粉”，但实际上并不是每家都能做得很好。

LPBF多材料3D打印面临的混粉问题

Fraunhofer IGCV 实验室的多材料SLM® 280 2.0 机器内部视图

中科院工程热物理研究所的相关专利提到，现有技术的主要缺点在于成形效率低，需要用精细的送粉喷嘴和真空吸粉嘴来对多种材料进行粉末的铺设和回收，导致操作复杂度增加，效率较低。另外，该装置很难实现大尺寸零件的三维制造。

整体涡轮叶盘超转试验（受访者供图）

现有多材料增材制造技术仍有改进的空间和需求。该单位对多材料金属3D打印的设备进行了改进，实现了铺粉与吸粉的同步进行，显著提高了成形效率。同时，送粉装置也同步进行了改进，可以实现大尺寸零件的连续成形。此外，设备还配备了视觉相机，用于辅助第二粉末材料的铺设和回收过程，实现了铺粉和回收精确化的目的。

➡️解决异种金属材料连接的难题

双金属一体结构也可称之为梯度结构，主要技术难点在于异种材料过渡界面的质量控制及性能表征。基于熔融的技术涉及熔化，两种金属的热膨胀系数通常不一样，接缝处容易产生应力集中，出现裂纹、孔隙和偏析等有害相。

报道指出，中科院工程热物理研究所航空宇航制造实验室，长期开展多材料金属3D打印关键技术攻关，攻克了该领域面临的异种金属连接难题，开发出了相应的过渡层材料，实现了界面缺陷控制。

Aerosint公司已开发的多材料一体成形体系

此次整体涡轮叶盘制造并试车成功，是该单位多材料3D打印装备、材料科学研究的重要展示。基于高速运转部件的特殊属性，这一成果显示出我国在该领域已取得领先地位。

多材料金属3D打印具有高价值应用和高回报的特性。不同物理特性的多种材料的一体3D打印，为高度复杂、轻量级的组件制造提供前所未有的设计自由度，在航空航天、船舶等领域具有多种应用场景，将为我国高端制造重大装备突破技术瓶颈、实现创新发展带来新的解决方案。

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