7月12日，美國GE航空集團在舉辦的百年慶典活動中，宣布旗下的GE9X發動機憑借單發超過60.9噸的推力獲世界新吉尼斯記錄。該發動機集成了GE航空集團在過去十年中開發的先進技術，其中包含增材制造的零件304個，是新一代商用發動機家族中的巔峰之作。本期3D打印技術參考詳細講述GE9X發動機中3D打印產品的甄別與開發過程。

在LEAP發動機上取得的成功，促使GE航空對發動機生產技術和材料選擇發生了系統性變化。GE9X作為一款巨大的高旁通比渦扇發動機，擁有304個3D打印的零件，首次將多種材料和打印工藝投入到單一航空發動機的生產中。基于此，GE航空建立了第一個增材制造技術工業化航空航天供應鏈。

▌七大部件、304個零件的甄別

GE9X中七個增材制造部件分別是：

燃油噴嘴                       T25傳感器外殼

熱交換器                       粒子分離器

5級低壓渦輪（LPT）葉片

6級渦輪（LPT）葉片        燃燒室混合器

識別出適用于增材制造的GE9X組件是非常復雜的。基于LEAP發動機的成功經驗，GE9X首先選用了高度集成的3D打印燃油噴嘴，該部件也是代表工業增材制造巨大潛力的首要案例。

GE9X發動機噴油嘴

GE9X的燃油噴嘴與LEAP發動機基本相同，該部件也是GE航空公司為發動機應用確定和開發的第一個3D打印部件。然而，該公司在打印首批燃料噴嘴頭之前，首先為超過400臺GE90發動機打印過T25傳感器外殼，它是第一個獲得FAA認證的增材制造飛機發動機部件。T25傳感器外殼位于高壓壓縮機的入口處，用于保護傳感器電子元件免受冷卻氣流的沖擊，從2015年開始被裝配在GE90-94B噴氣發動機上。因此在GE9X的3D打印部件甄別過程中，燃油噴嘴和T25傳感器外殼成為第一批被選擇的部件。

T25傳感器外殼

GE9X熱交換器和粒子分離器的選擇則不同。熱交換器傳統上由數十根細金屬管焊接組成，用于GE9X的3D打印熱交換器具有完全不同的外形，其中包括優化的通道和充分利用3D打印設計自由開發的復雜內部幾何形狀，通過一體打印而成，大大提高了熱交換效率。

3D打印的熱交換器，從多個零件到單一零件

粒子分離器的作用是排出發動機中的灰塵、沙子等雜質，能夠提高發動機耐久性。該部件以前從未在GE商用噴氣發動機中使用，制造難度很大。GE9X粒子分離器采用了區別于傳統的設計方法，工程師通過3D打印將多個部件組合成了一個單元。

熱交換器和粒子分離器的3D打印一體化制造顯示了GE航空制造轉型的巨大努力，而采用該技術進行渦輪葉片的制造則是一次巨大的飛躍。

▌TiAl合金渦輪葉片，3D打印航空應用的飛躍

LPT葉片的3D打印制造非常困難。葉片采用TiAl合金，相比傳統使用的鎳基合金輕50％左右，具有更加優異的強度重量比。由該材料制成的葉片，會使整個低壓渦輪機的重量減少20％，同時將使GE9X提高10％的推力。考慮到燃料占航空公司運營成本的比例達到25％，TiAl合金的性能便體現出極大的優勢。

GE9X發動機低壓渦輪TiAl合金葉片

此前，TiAl合金葉片通過鑄造+精加工的手段完成制造，這種方法的缺點在于模具制造周期太長。然而，該材料的3D打印也同樣面臨問題，它在激光打印時存在嚴重的應力開裂問題。而EBM技術被證明可以比激光更高的效率來加工這種材料，每層高達1000°C的預熱溫度最大程度的避免了應力產生。意大利Avio Aero公司基于在TiAl 3D打印方面的成功經驗，而被GE公司收購，專門進行TiAl合金葉片的打印。

EBM可對每層粉末實現高溫預熱

遠遠超過SLM的預熱溫度

Avio Aero 3D打印工廠擁有30臺大型Arcam A2x打印機，每臺打印機配備3千瓦的電子束，可同時生產六個15.75英寸的葉片。到今年年底，將有50臺機器主要用于LPT葉片生產。此前采用鑄造工藝制造葉片時，往往會提前一年半甚至兩年開發模具，3D打印無疑節省了供應鏈成本。

Avio Aero的Arcam A2x打印機

▌多部門間的通力合作

在為GE9X 3D打印的七個部件、304個零件中，除LPT葉片和熱交換器外，其他零件均是采用鈷鉻合金由Concept Laser M2打印制造，主要是由GE增材制造技術中心（ATC）和奧本工廠負責生產。

ATC研發中心的Concept Laser打印機

ATC擁有上百臺金屬3D打印機，其中18臺固定用來打印鈷鉻合金零件，還有一些用來生產熱交換器的F357鋁合金。然而ATC畢竟屬于研發部門，更多的生產任務還是需要工廠承擔。

從左到右：ATC研發中心現場負責人

GE航空材料工程負責人

GE航空設計工程負責人

ATC航空增材制造集成產品團隊總經理

奧本工廠同時也負責LEAP發動機燃料噴嘴的制造，其每周800個噴嘴的產量在當前增材制造的行業現狀下已經屬于完全工業化的大批量制造，而且其產量還會在今年翻倍增長。此外，從LEAP發動機獲得的大批銷量訂單來看，奧本工廠未來的生產任務將更加繁重，目前ATC的一些設備正在搬往奧本工廠。

END

GE9X是GE航空首次將多種金屬材料3D打印用于航空應用，但這些零件需要與其他傳統方式制造的零件一樣經過嚴格的測試，符合相關標準才能獲得使用。對于一種新工藝來說，標準非常重要，美國聯邦航空局和研發中心的工程師正在一起探索，大批量應用的存在無疑會推進相關標準的制定進程。關于航空應用中設備、材料、工藝等的相關認證，可以查看《關于增材制造的航空認證問題》。

GE9X認證測試

GE9X發動機是波音777X客機的動力引擎，是世界最大的商用航空發動機，其推力是許多戰斗機的幾倍，甚至超過了美國首次載人航天飛船中使用的火箭“水星-紅石3號”的推力。如此強勁的推力也意味著飛機制造商可以更加輕松開發更大更重的客機衍生型號。目前，GE9X已獲得來自8家客戶的700多臺訂單。