激光快速成形技術(shù)在液體動力領(lǐng)域的應(yīng)用前景

鄭 偉，李護林，陳新紅

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

0 引言

隨著液體火箭發(fā)動機性能的不斷提高，發(fā)動機核心構(gòu)件呈現(xiàn)復(fù)雜、薄壁、多功能、整體化和輕質(zhì)化等新特征，為發(fā)動機的研制與生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)，急需開展新工藝、新技術(shù)的研究來滿足發(fā)動機的制造需求。20世紀90年代以來，隨著激光技術(shù)、計算機技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)以及機械工程技術(shù)的發(fā)展，金屬零件激光快速成形技術(shù)在激光熔覆技術(shù)和快速原型技術(shù)基礎(chǔ)上應(yīng)運而生，迅速成為快速成形領(lǐng)域內(nèi)最有發(fā)展前途的先進制造技術(shù)之一[1]，為液體火箭發(fā)動機復(fù)雜精密構(gòu)件的快速成形帶來新的思路。

1 激光快速成形技術(shù)原理及分類

激光快速成形技術(shù)是一種基于快速原型原理的數(shù)字化增材制造工藝。它將擬制造零部件的三維圖形劃分成一系列二維圖形薄片，再控制激光的運動方式，通過激光加熱產(chǎn)生相變、燒結(jié)、熔化等過程，逐層制造并疊加“生長”成為最終的三維零部件。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)制造工藝的限制，整個制造過程無加工廢料、無需工裝夾具，不需模具即可完成零件的精密成型。目前，激光快速成形技術(shù)已形成兩類穩(wěn)定的成形工藝：一類是基于自動送粉的激光熔覆沉積（Laser Melting Deposition，LMD）技術(shù)，利用激光熔化同步供給的金屬粉末，采用特制的噴嘴在沉積基板上逐層沉積而成形零件；另一類是基于自動鋪粉的選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting,SLM），利用高能激光熔化處于松散狀態(tài)的粉末薄層（厚度通常＜100 μm），通過逐層鋪粉、逐層熔凝堆積的方式，成形任意形狀高致密度三維零件。表1對SLM和LMD技術(shù)的性能參數(shù)進行了對比。

從表中可以看出，SLM技術(shù)光斑直徑小，成型精度較高，適合尺寸較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密構(gòu)件近凈成型，成型構(gòu)件僅需進行表面光整即可使用。而LMD技術(shù)光斑直徑大，成型精度差，適合尺寸較大構(gòu)件毛坯的成型，成型構(gòu)件需進行機械加工才可滿足最終使用要求[2]。

表1 SLM及LMD技術(shù)性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of performance parameters of SLM and LMD technologies

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 SLM技術(shù)研究現(xiàn)狀

SLM技術(shù)是由德國Fraunhofer研究所于1995年最早提出，在金屬粉末選擇性燒結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，美國、德國等發(fā)達國家高度重視并積極推廣SLM技術(shù)，由于該技術(shù)能解決傳統(tǒng)加工技術(shù)難以克服的難題，在航空航天和國防等領(lǐng)域受到高度重視。美國政府于2012年啟動和聯(lián)合投資了國家增材制造創(chuàng)新研究院（NAMII）、BAE（英國國防與軍工武器生產(chǎn)商）、Pratt&Whitely Rocketdyne（美國火箭發(fā)動機制造公司）、GE（美國通用電氣）、Rolls-Royce（英國航空航天）等一大批航天、航空及武器制造企業(yè)。如美國著名火箭發(fā)動機制造公司Pratt&Whitely Rocketdyne以SLM技術(shù)為基礎(chǔ)對火箭發(fā)動機及飛行器中的關(guān)鍵構(gòu)件制造技術(shù)全面重新評估。美國通用電氣公司（GE）和英國Rolls-Royce公司用該技術(shù)完成了高溫合金整體渦輪盤、發(fā)動機燃燒室和噴氣渦流器等復(fù)雜精密構(gòu)件的制造。目前，SLM的設(shè)備制造商主要集中在歐洲，如德國 EOS、英國 Renishaw、法國 Phenix及Irepa laser。其中，德國EOS公司擁有很大的市場占有率，該公司在全球范圍內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)了400多套直接金屬激光燒結(jié)系統(tǒng)。

國內(nèi)開展激光精密選區(qū)熔化成形技術(shù)的單位主要有華中科技大學、西北工業(yè)大學、華南理工大學等[3-4]。各家單位均從材料成形工藝及成形裝備的研制等方面展開了大量的研究工作。華中科技大學針對航空航天領(lǐng)域的需求，自主研制出了SLM設(shè)備樣機，并對不銹鋼、鈦合金、鎳基高溫合金和鎂合金等材料的成形工藝和性能進行了探索研究，所制造構(gòu)件的致密度接近100%，最小尺寸精度可達±50 μm，許多材料構(gòu)件的機械性能都優(yōu)于或與同成分鍛件相當。西北工業(yè)大學在激光選區(qū)熔化成形機理、成形工藝、材料制備、后期處理、性能調(diào)控、裝備開發(fā)方面進行了大量研究，其研制的不銹鋼、鈦合金等零件已在我國航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

2.2 LMD技術(shù)研究現(xiàn)狀

LMD技術(shù)可追溯到20世紀70年代末期的激光多層熔覆研究[1]。經(jīng)過幾十年發(fā)展，國外激光熔覆沉積技術(shù)典型代表包括德國 Trumpf和美國POM公司 DMD505、美國 Huffman公司 HP-205、美國 Optomec公司 Lens850等。國外利用這些商業(yè)化的技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)取得了實質(zhì)性的成果，可制備疊層材料、功能復(fù)合材料、裁縫式地制成“變成分”材料或研制零件整體葉盤、框、梁等關(guān)鍵構(gòu)件，且其力學性能達到鍛件的水平。該技術(shù)相關(guān)成果已在武裝直升機、AIM導(dǎo)彈、波音7X7客機、F/A-18E/F、F22戰(zhàn)機等方面均有實際應(yīng)用，已成為美國航空航天國防武器裝備金屬結(jié)構(gòu)件的核心制造新技術(shù)之一。目前，美國專門成立了國家增材制造技術(shù)中心，擬加快增材制造技術(shù)推廣應(yīng)用。

國內(nèi)方面，自“十五”開始，國內(nèi)激光熔覆沉積技術(shù)獲得國家自然科學基金委員會等重點項目支持。北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、北京有色金屬研究總院等國內(nèi)研究機構(gòu)先后開展激光快速成型與修復(fù)技術(shù)及其設(shè)備開發(fā)研制，并取得一定成果[5-7]。北京航空航天大學在飛機大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件方面取得突破性進展，采用激光快速成型技術(shù)研制出某型號飛機鈦合金前起落架整體支撐框、C919接頭窗框等金屬零部件；西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室制造出了國產(chǎn)大飛機C919中央翼緣條。

3 激光快速成形技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 成形工藝

激光快速成形技術(shù)在金屬構(gòu)件的成形上已取得了巨大的成就，但是在大尺寸金屬零件成形過程中存在的應(yīng)力變形、內(nèi)部缺陷等瓶頸問題并未得到徹底的解決。目前國內(nèi)外只是針對幾種典型的金屬結(jié)構(gòu)件提出了缺陷控制和應(yīng)力變形控制的方案，離工程化應(yīng)用尚有一定距離，一旦金屬零件結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，必須重新進行工藝試驗試制。為此，消除大尺寸構(gòu)件的成形應(yīng)力，提高構(gòu)件的綜合性能是激光快速成形技術(shù)未來研究的一個主要方向。

3.2 成形設(shè)備

現(xiàn)有的激光快速成形設(shè)備大多采用單激光頭，成形效率低下，阻礙了其工業(yè)化、特別是大規(guī)模化生產(chǎn)，設(shè)備的技術(shù)成熟度有待進一步完善。為此，開展多激光頭多層鋪粉同步打印的技術(shù)研究，是激光快速成形設(shè)備的發(fā)展方向。

此外，目前技術(shù)成熟的兩種激光快速成形技術(shù)中，SLM技術(shù)成形精度高，可實現(xiàn)凈成形，但成形效率極低，適合尺寸較小的零件成形，LMD技術(shù)成形效率雖高，但其成形精度較差，成形構(gòu)件表面還需機械加工才可滿足使用要求。開發(fā)新一代激光快速成形設(shè)備，使之同時具有較高的成形效率及成形精度，可以實現(xiàn)大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的凈成形，是激光快速成形設(shè)備的一個發(fā)展趨勢。

3.3 成形材料

目前，激光快速成形技術(shù)僅針對常用的不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金等少數(shù)幾種材料進行了研究。遠遠不能滿足工程化應(yīng)用需求。將激光快速成形技術(shù)拓展至Al合金、Nb合金、Cu合金、Mg合金等多類金屬體系，實現(xiàn)激光快速成形專用金屬及合金粉體材料的專業(yè)化和系列化是激光快速成形技術(shù)的發(fā)展方向。

4 激光快速成形技術(shù)在液體火箭發(fā)動機上的應(yīng)用優(yōu)勢分析

液體火箭發(fā)動機是航天發(fā)展的基礎(chǔ)。液體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由推力室、渦輪泵、發(fā)生器及各種閥門等組合件組成，發(fā)動機具有如下的結(jié)構(gòu)特點：

1）材料多樣性

液體火箭發(fā)動機生產(chǎn)中涉及的材料種類廣，數(shù)量多。如我國新一代液氧煤油發(fā)動機中，材料多達上百種，主要為高強不銹鋼，鈦合金、銅合金和高溫合金。

2）結(jié)構(gòu)異型化

液體火箭發(fā)動機零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，某些核心部件采用復(fù)雜多層內(nèi)腔、薄壁型面結(jié)構(gòu)。如，發(fā)動機離心輪葉輪圓周上均布多個大葉片和分流葉片，大小葉片均為自由曲面，葉輪流道為三元流閉式狹長通道；氧化劑泵和燃料泵低壓殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，渦道內(nèi)腔為大曲率變截面形狀，屬封閉渦道、復(fù)雜內(nèi)腔類殼體。

3）工藝復(fù)雜性

發(fā)動機上一些核心構(gòu)件形狀極其復(fù)雜，存在多層內(nèi)腔、薄壁型面等結(jié)構(gòu)，使得加工工藝過程復(fù)雜，影響因素眾多，工藝穩(wěn)定性差。如：某型號燃料泵低壓殼體采用了精密熔模鑄造工藝，生產(chǎn)工序繁瑣，周期較長，生產(chǎn)1個鑄件需要38道工序，生產(chǎn)周期長達3個月。某型號推力室采用再生冷卻結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)過程涉及擴散釬焊、復(fù)合鍍層電鍍、電子束焊等20多種工藝方法，500多道工序。

激光快速成形技術(shù)把復(fù)雜三維制造轉(zhuǎn)化為二維制造的疊加，消除了零件的空間復(fù)雜程度，可直接制造出任意復(fù)雜形狀的功能件。與傳統(tǒng)加工方法相比，激光快速成形技術(shù)具有如下特點[8]：

1）突破了傳統(tǒng)的材料變形成形和去除成形的思路，成形過程無需工裝夾具或模具的支持，具有成形靈活性以及節(jié)約時間和成本等優(yōu)勢；

2）易于實現(xiàn)“凈成形”的材料加工新理念，特別適于制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件，以滿足航空、航天、國防及生物醫(yī)學等領(lǐng)域限量訂單需求或特別定制化要求；

3）增材成形材料利用率高，制造周期短，生產(chǎn)成本低，適用技術(shù)方案驗證和型號研制；

4）從冶金學角度，采用激光成形零件可具有微細、均勻的激光快速凝固組織，成形件綜合機械性能優(yōu)異；

5）設(shè)計工藝一體化，激光選區(qū)熔化技術(shù)是集設(shè)計和工藝高度集成、一體化的技術(shù)，可按使用要求進行設(shè)計，實現(xiàn)理論最優(yōu)模型的直接成形。

由于激光快速成形技術(shù)不受構(gòu)件的復(fù)雜程度影響，可直接制備出形狀復(fù)雜、尺寸精度高、表面粗糙度低、組織結(jié)構(gòu)致密、性能穩(wěn)定的金屬構(gòu)件，且后續(xù)加工量甚少，因此有望成為突破航天發(fā)動機復(fù)雜精密構(gòu)件制造技術(shù)難題的最佳選擇方案之一，在液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品制造上具有獨特應(yīng)用優(yōu)勢。

5 激光快速成形技術(shù)在液體火箭發(fā)動機上的應(yīng)用前景

隨著對液體火箭發(fā)動機要求的不斷提高，液體火箭發(fā)動機向高推質(zhì)比、輕量化和高可靠性的方向發(fā)展。越來越多零組件采用鈦合金、高溫合金、高強鋼等難加工材料，核心部件呈現(xiàn)復(fù)雜、薄壁、多功能、整體化和輕質(zhì)化新特征，為發(fā)動機的研制與生產(chǎn)帶來了巨大的困難，采用傳統(tǒng)金屬零件去材制造方法存在工序多、成本高、從設(shè)計到零件制造周期長等問題，難以滿足新產(chǎn)品的快速響應(yīng)制造需求。部分復(fù)雜精密構(gòu)件甚至無法用現(xiàn)有的工藝方法完成加工，只有通過修改設(shè)計方案以適應(yīng)制造工藝，影響了發(fā)動機的整體性能。激光快速成形技術(shù)可直接制備出形狀復(fù)雜、尺寸精度高、組織結(jié)構(gòu)致密、性能穩(wěn)定的金屬構(gòu)件，在液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品的制造上具有潛在的應(yīng)用前景。

5.1 復(fù)雜薄壁殼體類

液體火箭發(fā)動機泵與閥的殼體大多為薄壁多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)，圖1為幾種典型的殼體類產(chǎn)品。這類產(chǎn)品壁厚較薄，內(nèi)腔形狀復(fù)雜，盲腔死腔多，無法采用傳統(tǒng)機械加工、電加工等方案成形，精密鑄造技術(shù)雖能解決該類產(chǎn)品的加工制造難題，但內(nèi)部質(zhì)量控制難度大，容易出現(xiàn)成分偏析、縮孔、縮松、裂紋、澆不足等缺陷，成品率較低，成本較高，交貨周期很難保證，一直是制約發(fā)動機研制生產(chǎn)的瓶頸。激光快速成形技術(shù)不受構(gòu)件復(fù)雜程度的影響，且成形構(gòu)件組織致密，性能優(yōu)異，在該類產(chǎn)品的成形上具有獨特的優(yōu)勢。

圖1 發(fā)動機典型的殼體類產(chǎn)品Fig.1 Typical engine shell products

5.2 扭曲葉片類

為提高發(fā)動機性能，發(fā)動機上輪盤類產(chǎn)品大多采用復(fù)雜扭曲葉片結(jié)構(gòu)，如泵葉輪、渦輪盤、渦輪靜子等（見圖2）。該類產(chǎn)品葉片型面復(fù)雜，流道狹窄，機械加工難度大。目前，輪盤類產(chǎn)品的成形工藝主要有2種，一種是鑄造成形，另一種是電火花成形。然而，鑄造工藝存在產(chǎn)品缺陷多、強度低，且葉形尺寸精度不滿足設(shè)計要求的問題；電火花成形的產(chǎn)品葉形精度雖可滿足設(shè)計要求，但加工周期長、效率低、成本高，如完成一個渦輪盤葉片電火花加工需要8套電極10個工步。采用激光快速成形技術(shù)可避免上述問題的發(fā)生，適用于該類產(chǎn)品的成形。

圖2 發(fā)動機典型的輪盤類產(chǎn)品Fig.2 Typical engine wheel disc products

5.3 薄壁異型件

液體火箭發(fā)動機上存在大量的薄壁異型件，如空間扭曲彎管、混流器等（見圖3）。該類產(chǎn)品空間造型復(fù)雜，且壁厚較薄，無法采用機械加工方案成形，只能采用鑄造方案。而鑄造工藝存在制殼、澆注及檢測等方面的困難，且產(chǎn)品合格率低，精度差。如某型號發(fā)動機發(fā)生器出口管合格率不足5%。激光快速成形技術(shù)消除了零件的空間復(fù)雜程度，可以直接制造出任意復(fù)雜形狀的功能件，為薄壁異型產(chǎn)品的成形提供了新思路。

圖3 發(fā)動機典型的薄壁異型件Fig.3 Typical engine thin-walled and irregular-shaped products

5.4 大型承力框架類結(jié)構(gòu)

液體火箭發(fā)動機上有大量的框架類零件，這類零件通常作為發(fā)動機中主承力件，主要采用鍛件機加工成形。由于框架類零件輪廓尺寸較大，采用鍛件毛坯加工時，去除的余量巨大，材料利用率極低，經(jīng)濟效益差。如，某型號發(fā)動機常平環(huán)，零件輪廓尺寸為624 mm×624mm（見圖4），加工采用的毛坯輪廓尺寸為644 mm×644 mm，內(nèi)孔直徑為Ф490 mm，將鍛件毛坯加工成零件時材料利用率不足15%。激光快速成形技術(shù)屬于增材制造，材料利用率接近100%，且成形構(gòu)件組織結(jié)構(gòu)致密、性能可達鍛件水平，適合該類產(chǎn)品的成形。

圖4 某型號發(fā)動機常平環(huán)及其鍛件毛坯Fig.4 Engine gimbal ring and its forging blank

5.5 薄壁夾層結(jié)構(gòu)

液體發(fā)動機上熱端部件大量采用了薄壁夾層結(jié)構(gòu)，如推力室噴管、發(fā)生器等。圖5為幾種典型的薄壁夾層結(jié)構(gòu)件。目前，該類產(chǎn)品主要采用裝配釬焊工藝成形。該方案涉及機械加工、電鍍、擴散釬焊、液氣壓等多種工藝方法，裝配過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長。此外，該方案對釬焊內(nèi)外壁貼合間隙要求嚴格，工藝難度較大，且釬焊后釬料容易造成通道堵塞，影響產(chǎn)品質(zhì)量。激光快速成形技術(shù)可按設(shè)計模型直接成形，且成形構(gòu)件性能優(yōu)良，采用該技術(shù)成形薄壁夾層結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品，可縮短產(chǎn)品制造周期，提高發(fā)動機可靠性。

圖5 發(fā)動機典型薄壁夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品Fig.5 Typical engine products with thin-walled sandwich structure

6 結(jié)束語

激光快速成形技術(shù)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，將為液體火箭發(fā)動機復(fù)雜精密構(gòu)件提供全新的高效、快捷、高性能、短流程、低成本的制造方法，從根本上解決我國制造領(lǐng)域精密、復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)件的成形難題。發(fā)展激光快速成形技術(shù)，實現(xiàn)其在液體火箭發(fā)動機上的推廣應(yīng)用，對提升我國航天液體動力系統(tǒng)的制造工藝技術(shù)水平和核心競爭力具有重要意義。

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