北京动力机械研究所增材中心马瑞主任谈增材制造航天发动机应用及展望：《装备强国》沙龙精华分享

AM易道导语：

为进一步深化产业链上下游企业之间的交流合作，深入探讨增材制造技术发展前沿，推动关键零部件及装备产业升级，由中国增材制造产业联盟组织、工信装备工程研究院（北京）有限公司主办的2025年《装备强国》系列活动—增材制造关键零部件及装备沙龙首场（汉邦激光专场）于2025年2月15日在广东省中山市成功举办。

在本次论坛上，航天系统资深专家北京动力机械研究所增材中心马瑞主任作了题为《增材制造技术在航天发动机的应用及展望》的精彩报告，深入分享了十余年来在增材制造领域的实践经验与思考。

△北京动力机械研究所增材中心主任马瑞

AM易道有幸为读者分享呈现这场思想盛宴的精华内容。

航天动力领域的增材制造应用历程

在长期从事航天动力系统研发工作中，团队发现这类产品具有"尺寸小、结构复杂、状态多变、一次性使用"的特点，与金属增材制造技术的优势高度契合。

其团队的优势在于"设计-生产-工艺-实验"一体化，内部迭代周期短，能够快速验证增材制造技术的效果。

四大典型应用场景深度解析

一、复杂构件制造：解决传统工艺无法攻克的难题

马瑞主任分享了一个方转圆复杂构件的案例。该产品方侧几百毫米，高度几百毫米，内部流道总长超过百米。

"如果采用传统焊接蒙皮方式，焊缝密度过高，必然产生裂纹、气孔、变形、泄漏等缺陷，基本不可能使用，更不用说上天了。"

马瑞主任解释道。

由于当时最大设备为M400，研究团队创新性地将产品分成多块，采用多舱打印方式，打印后再切开焊接。

这一方案使焊缝数量减少95%以上，制造周期缩短50%。

二、结构一体化：简化生产流程，加速批量生产

以一个钛合金回转体进气装置为例（直径约百毫米，高度约三百毫米），传统方案需要十多个零件、4个配套工序，涉及4-5次检验，严重影响生产节奏。

"采用增材制造后，工序从79道减少到两道，整个生产组织关系变得非常简单，这保证了大批量生产的可能。"

在此基础上，其团队进一步将结构一体化理念推广到涡轮发动机领域。

涡轮发动机涵盖多种材料（钛合金、铝合金、高温合金）和结构类型（机架类、叶片类、管路类、薄壁中空类），且拥有完整的考核体系（台架实验、整机实验、飞行试验），是增材制造技术深化应用的理想场景。

团队针对从风扇、压气机、燃烧室到涡轮、尾喷管的全系列部件进行了整体化设计与制造，已在多个涡轮发动机型号中推广应用。

三、快速研制：应对技术状态多变、交付周期短的挑战

有些产品虽然形态简单（如钣金件、铸造件），但研制周期要求极短，一个月内必须完成交付。传统制造方式需要开模具，往往无法满足进度要求。

"在这种情况下，增材制造是最合适的选择。"马瑞主任表示，尤其在铸件研制过程中，状态变化频繁，每次开模时间长，前期采用增材制造进行单件制造非常合适。

到了批量生产阶段，则需要考虑双方成本。

马主任团队测算，钛合金铸造成本约4000-5000元/公斤，增材制造也能控制在这一范围内，对于精度要求高的产品，增材制造具有成本优势；

而对于结构简单的产品，铸造成本仍远低于增材制造。

四、设计端融入：发挥增材制造最大效率

"只有在设计端融入增材制造理念，其效率才能最大化。"马瑞主任强调。

团队展示了航空发动机外部结构优化的案例，将多个附件、十余个管路、几十处连接、上千个零件简化为37个件，生产组织关系大幅简化，装配周期从一年缩短到一个多月，目前已进入批量生产阶段。

此外，增材制造在换热器领域也有独特优势。

虽然受限于壁厚要求，但在特定体量的换热器上，尤其是复杂三维曲面结构，增材制造展现出传统工艺无法比拟的能力。从设计端进行三维优化，能产生最大效果。

技术展望与核心需求

基于多年实践，马瑞主任提出了增材制造技术发展的四大核心需求：

1. 专用材料研发：建立增材制造自身的材料体系

"我们现在只是把传统材料做成了增材制造粉末，而不是增材制造专用粉末。"马瑞主任指出现有材料体系的局限性。

目前使用的材料标准多从铸造和锻造标准引用，但增材制造既没有经历锻造的热成型过程，冷却速度与铸造也完全不同。

例如，高温合金中添加的硅、锰元素目的是提升锻造过程中的热成型性，但在无需热成型的增材制造中可能成为干扰因素；

同样，对于短时间使用的产品，某些提升抗氧化性的元素可能也无必要。

2. 设计结构一体化：为设计端提供足够支撑

为帮助设计人员更好利用增材制造优势，马瑞主任团队开展了三项基础工作：

（1）建立常用材料与工艺数据库："设计选材通常参考航空材料手册，但增材制造材料数据很少，无法支撑设计决策。"团队建立的数据库填补了这一空白。

（2）提供应用案例库：不同研发团队之间分享成功案例，促进技术扩散和应用创新。

（3）制定设计可行性审查指南：开展不同材料、不同特征结构的成型极限研究，探索设计边界，如最小角度、最小壁厚、空腔结构尺寸、桥接结构极限、悬臂结构极限等，为设计提供基本依据。

3. 仿真技术突破：解决增材制造仿真的特殊挑战

"传统制造中，仿真往往是出现问题才用；但增材制造不同，如果不提前仿真已经不太现实，因为制作成本太高。"

马瑞主任举例，一个年需求上亿的产品，研制过程中经历了4轮次、十几家供应商的多次失败，每件产品价值10万以上，总计花费上百万才研发成功。

然而，现有仿真软件基于固有应变的简化模型，难以达到定量甚至半定量分析水平；

而采用热力耦合精确计算又面临计算量巨大的问题。

针对这一困境，团队正与高校合作，尝试对基础模块（如支撑结构）进行理论分析和优化。

4. 标准体系完善与自动化提升：加速产业成熟

当前标准面临的主要挑战是缺乏足够的工业应用数据支撑。

例如，增材制造过程中出现的特有缺陷（如未融合、设备停机造成的黑线等）与传统焊接缺陷不同，连最新的国际标准也未涵盖。

为保证质量，马瑞主任团队在设备端、供应端、操作管理端都做了大量基础性规范工作，建立了适合批量生产的质量体系。

在自动化方面，增材制造环境中仍存在大量手工操作，尤其在生产准备和后处理环节自动化程度较低，既有安全问题也有效率问题。

马主任期望发展粉末上料、粉末灌装、自动循环系统，以及集成去支撑、打磨、3D扫描等工序的后处理自动化产线。

结语：航天引领，共促产业突破

增材制造技术在航天动力领域的深度应用，展现了这一技术在高端装备制造中的强大能力。

从复杂构件制造到结构一体化，从快速研制到设计融合，航天应用实践不仅解决了自身的技术难题，也为增材制造产业的健康发展探索了道路。

AM易道认为，航天等高端装备制造领域的需求，正是推动增材制造技术从新奇走向成熟的关键驱动力。

马瑞主任提出的四大核心需求—专用材料研发、设计结构一体化、仿真技术突破、标准体系完善与自动化提升，指出了增材制造迈向产业化的路线图。

当前，增材制造技术已经不再是简单的打印，而是贯穿设计、材料、工艺、信息控制的系统工程。

随着更多像北京动力机械研究所这样的航天用户深度参与，中国增材制造产业将走出一条兼具自主创新与产业化落地的独特发展之路。

敬请读者关注中国增材制造产业联盟以及装备强国活动的后续精彩分享。