異形毛細(xì)結(jié)構(gòu)噴注器激光選區(qū)熔化成形技術(shù)分析

蔡佳欣,白 靜,楊歡慶,王 迎

(1.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,陜西 西安 710100;2.國防科技工業(yè)航天特種構(gòu)件增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心,陜西 西安 710100)

0 引言

噴注器是姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組件,其功能是使推進(jìn)劑按一定流量和混合比進(jìn)入燃燒室霧化、混合和燃燒,其整體結(jié)構(gòu)呈蓮蓬式,由法蘭盤、噴注盤、隔熱框和多根異形毛細(xì)噴注管等組成。異形毛細(xì)管外徑為1.0～1.5 mm,內(nèi)徑≤0.9 mm,長徑比≥100 ∶1,呈空間異形扭曲結(jié)構(gòu),其成形表面質(zhì)量、成形精度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能,要求管徑尺寸精度在±0.05 mm范圍內(nèi),成形表面粗糙度小于6.3 μm[1-2]。激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(SLM技術(shù))通過激光高能束實(shí)現(xiàn)金屬粉末的逐點(diǎn)、逐線、逐面疊加,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的高致密度一體化成形,在國內(nèi)外航天領(lǐng)域已開始了一系列工程應(yīng)用[3-5]。但是,目前選區(qū)激光熔化成形表面粗糙度一般在6.3～12.6 μm范圍內(nèi),成形精度偏差在±0.2 mm范圍內(nèi)[6-8],針對異形毛細(xì)噴注管結(jié)構(gòu)等精細(xì)特征高精度成形技術(shù)未獲得突破,限制了選區(qū)激光熔化成形技術(shù)在姿控發(fā)動(dòng)機(jī)毛細(xì)結(jié)構(gòu)噴注器上的研制生產(chǎn)。

針對異形毛細(xì)噴注管結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量SLM成形,劉洋研究了成形角度為0°和90°時(shí)孔的成形精度及形成形狀誤差的機(jī)理,通過總結(jié)成形件表面形貌特征提出了一系列衡量圓孔成形質(zhì)量的評價(jià)參數(shù)[9];楊雄文等研究了0.2～3 mm 直徑范圍內(nèi)水平孔與豎直孔的孔徑變化規(guī)律,并將圓孔直徑的絕對誤差與相對誤差改變原因進(jìn)行了分析[10];Pakkanen等研究了SLM成形AlSi10Mg和Ti6Al4V合金不同形狀、成形角度下的孔的表面質(zhì)量,從成形材料角度對微孔表面質(zhì)量進(jìn)行了比較分析[11]。另外,金屬增材制造技術(shù)所特有的“階梯效應(yīng)”“球化效應(yīng)”“粉末包覆”等問題使得成形表面粗糙度較高,顯著影響噴注器壓降和霧化效果等功能性指標(biāo),因此表面光整技術(shù)的研究也十分重要,目前針對金屬增材制造構(gòu)件的表面光整技術(shù)包括化學(xué)銑削拋光、電化學(xué)拋光及磁力研磨光整技術(shù)等,但關(guān)于異形毛細(xì)結(jié)構(gòu)的表面光整技術(shù)的相關(guān)研究仍較為匱乏[12-14]。針對SLM成形構(gòu)件的表面處理,歐洲空客防衛(wèi)與航天公司對Vulcain 2 發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器噴嘴、燃料/氧化劑通道上φ0.6～5 mm的圓孔進(jìn)行基于SLM工藝的重新設(shè)計(jì)優(yōu)化,并依次進(jìn)行了單噴嘴液流試驗(yàn)、試件點(diǎn)火試驗(yàn)及全尺寸液流試驗(yàn)(見圖1),形成了SLM一體化高質(zhì)量成形噴注器結(jié)構(gòu)。

圖1 SLM成形Vulcain 2發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器測試過程Fig.1 Test of Vulcain 2 injector manufactured by SLM

本文以噴注器異形毛細(xì)噴注管表面質(zhì)量為研究對象,利用激光超景深顯微鏡研究了不同成形角度下小孔表面形貌特征、表面粗糙度的變化規(guī)律,在獲得最佳成形角度基礎(chǔ)上,通過異形毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面光整技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)了異形毛細(xì)結(jié)構(gòu)的均勻光整,提升其表面質(zhì)量。通過液流試驗(yàn),驗(yàn)證了激光選區(qū)熔化成形某噴注器液流性能,實(shí)現(xiàn)了異形毛細(xì)結(jié)構(gòu)姿控噴注器的高性能一體化成形。

1 加工條件

1.1 加工設(shè)備及材料

本文激光選區(qū)熔化成形所用設(shè)備為BLT-S300型激光選區(qū)熔化成形設(shè)備(見圖2),設(shè)備裝配一臺(tái)YLR-500-WC型光纖激光器(光斑直徑70 μm,波長1.07 mm,最大輸出功率500 W),成形幅面為250 mm×250 mm。

圖2 BLT-S300型激光選區(qū)熔化成形設(shè)備Fig.2 Selective laser melting forming equipment of BLT-S300

實(shí)驗(yàn)所用06Cr19Ni10不銹鋼粉末各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果如表1所示,粉末形貌及粒度分布如圖3所示。粉末使用前,將粉末置于真空干燥箱內(nèi),進(jìn)行110 ℃烘干處理,以除去粉末中吸附的水分,防止粉末在鋪粉時(shí)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象,影響鋪粉質(zhì)量?；宀馁|(zhì)為不銹鋼,成形前對基板表面噴砂毛化。激光選區(qū)熔化成形過程中使用純度為99.999%的氬氣作為保護(hù)氣體,并且始終保證氧含量在0.05%以下。

表1 06Cr19Ni10不銹鋼粉末各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3 06Cr19Ni10不銹鋼粉末形貌和粒度分布Fig.3 Morphology and particle size distribution of 06Cr19Ni10 stainless steel powder

1.2 模型設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方法

以液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器中的典型噴注孔徑φ1.4 mm的小孔為研究對象,設(shè)計(jì)如圖4所示的小孔模型單元,其成形角度(小孔軸線與成形平臺(tái)夾角)分別為0°、30°、45°、60°、75°、90°。

圖4 不同成形角度小孔模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of keyhole model in different forming angles

小孔結(jié)構(gòu)成形工藝參數(shù)如表2所示。成形后,沿各成形角度方向?qū)⑿】自嚇訅K均分為上下兩部分。上部分小孔內(nèi)表面為下表皮,采用下表皮的成形工藝參數(shù);下部分小孔內(nèi)表面為上表皮,采用上表皮的成形工藝參數(shù)。

表2 小孔結(jié)構(gòu)成形工藝參數(shù)

采用激光超景深顯微鏡觀察小孔結(jié)構(gòu)上下表皮的表面形貌并測量其對應(yīng)的粗糙度,測量精度為0.3 μm,測量3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 小孔結(jié)構(gòu)表面形貌特征

隨著成形角度的變化(0°～90°),小孔結(jié)構(gòu)下表皮及上表皮的表面形貌呈現(xiàn)不同的變化趨勢。不同成形角度下小孔宏觀形貌見圖5。小孔結(jié)構(gòu)下表皮表面形貌如圖6所示。當(dāng)成形角度為0°～30°時(shí),下表皮區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的掛渣塌陷現(xiàn)象,表面分布大量大尺寸的掛渣塌陷顆粒(φ200～300 μm);當(dāng)成形角度為30°～45°時(shí),表面分布有少量大尺寸掛渣塌陷顆粒及大量小尺寸掛渣塌陷顆粒(φ100～120 μm);當(dāng)成形角度達(dá)到45°時(shí),小孔結(jié)構(gòu)下表皮的掛渣塌陷顆粒基本消失,分布有飛濺顆粒(φ100 μm)及半熔化金屬粉末顆粒;當(dāng)角度進(jìn)一步從45°增大到75°時(shí),表皮分布的飛濺顆粒尺寸及數(shù)量進(jìn)一步減小(70～80 μm);當(dāng)成形角度為75°～90°時(shí),表面主要分布為半熔化金屬粉末顆粒(φ20～40 μm),飛濺顆?；鞠?。

圖5 不同成形角度下小孔宏觀形貌Fig.5 Macro-morphology of small holes at different forming angles

圖6 不同成形角度小孔下表皮表面粗糙度形貌Fig.6 The morphology of down-skin surface for small holes at different forming angles

小孔結(jié)構(gòu)上表皮呈現(xiàn)與下表皮不同的表面形貌,如圖7所示。當(dāng)成形角度為0°時(shí),成形表面光滑,幾乎沒有黏附的顆粒物,可看到原始的掃描線痕跡[15-16];隨著成形角度的增加,小孔表面逐漸開始黏附未完全熔化的金屬粉末顆粒,且成形角度越大,黏附的粉末顆粒物越多;到75°時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

圖7 不同成形角度小孔上表皮表面粗糙度形貌Fig.7 The morphology of up-skin surface for small holes at different forming angles

小孔結(jié)構(gòu)上、下表皮之所以呈現(xiàn)不同的表面形貌,且其隨成形角度的增加,呈現(xiàn)不同的變化趨勢,主要是因?yàn)镾LM成形過程中,不同成形角度上、下表皮的位置及狀態(tài)不同。對于下表皮,其懸垂結(jié)構(gòu)的生長支撐為部分已成形實(shí)體和松裝粉末,由于激光深穿透作用,在松裝粉末上方的金屬溶液在重力和毛細(xì)力作用下下垂,產(chǎn)生掛渣塌陷現(xiàn)象[17]。

當(dāng)角度為0°時(shí),下表皮懸垂結(jié)構(gòu)生長支撐完全為松裝粉末,故掛渣塌陷最明顯,所以表面形成大量掛渣塌陷顆粒物;隨著成形角度的增加,與粉末接觸的懸垂結(jié)構(gòu)的面積減小,金屬溶液掛渣塌陷現(xiàn)象逐漸減弱直至消失;當(dāng)成形角度增加到45°時(shí),已成形實(shí)體基本上可支撐熔融的金屬熔池,故金屬溶液掛渣塌陷現(xiàn)象基本消失,但其部分面積的熔池仍與粉末接觸,熔池?zé)崃啃柰ㄟ^粉末擴(kuò)散,在室溫條件下,金屬粉末的有效熱導(dǎo)率通常為0.1～0.2 W/mK ,僅為實(shí)體熱導(dǎo)率的1/100～1/1 000[18],粉末與實(shí)體擴(kuò)散速度的差異,使熔池易產(chǎn)生過熱,導(dǎo)致金屬液熔池失穩(wěn),形成飛濺顆粒黏附在表面,所以分布有大量飛濺顆粒物(φ100 μm);當(dāng)成形角度為75°～90°時(shí),熔池下方基本上沒有松裝的金屬粉末,熔池失穩(wěn)現(xiàn)象消除,飛濺顆粒物消失,而由于激光熱源的高斯分布特點(diǎn),會(huì)使部分金屬粉末處于半熔狀態(tài),附著于已凝固表面,故在表面形成未完全熔化的金屬粉末顆粒(20～40 μm)。而對于上表皮,在成形過程中,其有上一層已成形的實(shí)體層作為其生長支撐點(diǎn),熔池內(nèi)金屬溶液不會(huì)發(fā)生坍塌,也不會(huì)由于熱量累積導(dǎo)致飛濺,故表面不會(huì)生成掛渣塌陷顆粒物和飛濺顆粒物,只分布有由于激光高斯分布而產(chǎn)生的未完全熔化金屬粉末。上表皮粉末逐漸惡化主要是因?yàn)殡S著成形角度的增大,表面與周圍粉末接觸的面積增大,成形過程中熔池及熱影響區(qū)覆蓋的區(qū)域增大,故而粉末黏附逐漸惡化。

2.2 小孔結(jié)構(gòu)表面粗糙度測量分析

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和峰谷不平度[19],是表征表面質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。表3為不同成形角度下,小孔結(jié)構(gòu)上、下表皮的表面粗糙度測量值,圖8為其變化規(guī)律。

表3 不同成形角度下小孔的表面粗糙度

圖8 小孔表面粗糙度隨成形角度變化關(guān)系Fig.8 The relation between the surface roughness and the forming angle of keyhole

從表3和圖8中可以看出,上、下表皮粗糙度隨角度的變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。隨著成形角度的增加,下表皮的表面粗糙度逐漸降低,到75°時(shí)趨于穩(wěn)定;上表皮的表面粗糙度逐漸上升,在75°時(shí)也趨于穩(wěn)定。且成形角度在0°～90°范圍內(nèi),小孔結(jié)構(gòu)上表皮的粗糙度均小于下表皮。

由此可見,表面形貌的變化對表面粗糙度有較大影響,而表面形貌的變化主要受成形角度的影響。為在SLM成形中獲得上、下表皮表面質(zhì)量均良好的小孔結(jié)構(gòu),應(yīng)充分考慮小孔的空間位置擺放,調(diào)整小孔的成形角度,使其在75°～90°范圍內(nèi)盡量減小甚至避免大尺寸掛渣塌陷顆粒、小尺寸掛渣塌陷顆粒及飛濺顆粒物等形貌。

2.3 小孔結(jié)構(gòu)表面光整結(jié)果分析

精密化學(xué)拋光是將零件置于一定的化學(xué)溶液中,在特定條件下,對零件基體材料進(jìn)行腐蝕,達(dá)到提高零件表面粗糙度的工藝方法。該工藝具有銑切量均勻、易于控制的特點(diǎn),特別適用于尺寸精度高、形狀復(fù)雜的增材制造零件的精密微量銑切。本節(jié)以毛細(xì)結(jié)構(gòu)這一典型特征結(jié)構(gòu)單元為例,采用精密化學(xué)拋光研究化學(xué)溶液壓力、工藝裝備、拋光工藝參數(shù)對毛細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸精度和表面質(zhì)量的影響。

2.3.1 化銑溶液交換均勻性控制分析

當(dāng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)孔徑較小時(shí),受結(jié)構(gòu)及溶液流動(dòng)阻力的影響,毛細(xì)結(jié)構(gòu)流道內(nèi)溶液交換作用弱,化銑一定時(shí)間后,化學(xué)溶液的濃度出現(xiàn)降低,且各部分存在濃度差,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致化銑拋光不到位或不均勻。為保證整個(gè)化銑過程中溶液在毛細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)均勻流動(dòng),消除溶液溫差及濃差極化的影響,確保拋光均勻性,需設(shè)計(jì)循環(huán)流動(dòng)專用化銑工裝及設(shè)置合適的壓力。

本節(jié)所用化學(xué)拋光溶液為鹽酸、硝酸、氫氟酸等混合溶液,比例為4 ∶3 ∶1,化銑溶液交換均勻性試驗(yàn)設(shè)置了0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm 這4種孔徑,60°、45°、30°這3種成形方向的毛細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件,為保證一定數(shù)量子樣,確保研究的可靠性,每種方向相同孔徑的毛細(xì)結(jié)構(gòu)各3個(gè),采用激光選區(qū)熔化成形制造,試驗(yàn)件模型示意圖見圖9。

圖9 毛細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件Fig.9 Capillary structure test piece

基于毛細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)引流板狀工裝(工裝中央?yún)^(qū)域開2 mm的橫槽、直徑10 mm的孔及4個(gè)直徑5 mm的螺紋孔,通過螺栓將試驗(yàn)件與產(chǎn)品相連,通過管將電動(dòng)泵與工裝相連)。泵的輸出壓力是影響毛細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件化銑效果的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)入口壓力較小時(shí),化銑溶液不能有效填充毛細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)流道,導(dǎo)致溶液無法均勻流出,而入口壓力過大時(shí),溶液流道速度過快,影響化學(xué)溶液與試驗(yàn)件表面的化學(xué)反應(yīng)效果。為研究溶液壓力對毛細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件化銑效果的影響規(guī)律,設(shè)置了0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa 這4種不同入口壓力,對毛細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件進(jìn)行化銑,觀察化銑溶液流道效果、化銑后的表面質(zhì)量并測量分析化銑后孔徑變化。

圖10為不同壓力下化銑溶液的流動(dòng)效果圖。從圖10中可以看出,0.1 MPa、0.2 MPa壓力下,部分毛細(xì)結(jié)構(gòu)位置未看到流動(dòng)溶液;0.3 MPa、0.4 MPa壓力下,全部毛細(xì)結(jié)構(gòu)都可看到均勻流動(dòng)的化銑溶液。這表明0.1 MPa、0.2 MPa壓力較小,難以實(shí)現(xiàn)化銑溶液的均勻流動(dòng);0.3 MPa、0.4 MPa壓力可實(shí)現(xiàn)化銑溶液的均勻流動(dòng)。

圖10 不同壓力下試驗(yàn)件化銑溶液流動(dòng)效果Fig.10 Flow effect of chemical wash solution for test piece under different pressures

為確定0.3 MPa、0.4 MPa壓力下的化銑效果,采用塞棒測量毛細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件中0.9 mm孔的孔徑,孔徑去除量見表4。測量完成后進(jìn)行剖切,采用電鏡觀察化銑表面,見圖11～圖12。從表4及圖11～圖12中可看出,相較0.4 MPa壓力,0.3 MPa壓力下的毛細(xì)結(jié)構(gòu)化銑去除量較大,且表面質(zhì)量高。在0.3 MPa壓力下,化銑溶液的流量測量結(jié)果為1.5～2.2 g/s;0.4 MPa壓力下,溶液流道速度過快(流量>2.5 g/s),影響了溶液與毛細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的化學(xué)反應(yīng)。

表4 不同壓力下毛細(xì)結(jié)構(gòu)化銑去除量

圖11 0.3 MPa入口壓力下化銑后流道4處位置表面形貌Fig.11 Surface morphology of flow channel in four position when the inlet pressure is 0.3 MPa

圖12 0.4 MPa入口壓力下化銑后流道4處位置表面形貌Fig.12 Surface morphology of flow channel in four position when the inlet pressure is 0.4 MPa

基于上述分析可知,通過設(shè)計(jì)導(dǎo)流工裝及入口壓力工藝試驗(yàn),獲得了0.6～0.9 mm范圍內(nèi)不同構(gòu)型毛細(xì)管的最優(yōu)溶液流速工藝參數(shù)。

2.3.2 化銑工藝參數(shù)分析

在最優(yōu)流速工藝參數(shù)基礎(chǔ)上,本節(jié)研究不同化銑時(shí)間對毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面的影響規(guī)律。圖13、圖14分別為不同化銑時(shí)間下毛細(xì)結(jié)構(gòu)特征形貌圖及表面三維圖。從圖13中可以看出,化銑時(shí)間由1 min增加至4 min,結(jié)構(gòu)表面粗糙度逐漸改善;當(dāng)化銑時(shí)間為4 min時(shí),結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量最好;而隨著化銑時(shí)間進(jìn)一步增加,圓孔孔徑大于理論模型值,對尺寸精度產(chǎn)生了較大影響。通過表5可得,當(dāng)化銑時(shí)間為4 min時(shí),圓孔直徑尺寸誤差絕對值最小,表面粗糙度也得到了明顯改善。

表5 化銑時(shí)間與圓孔孔徑誤差、表面粗糙度的關(guān)系

圖13 不同化銑時(shí)間下圓孔結(jié)構(gòu)特征形貌圖Fig.13 Morphological map of circular hole structure features under different chemical milling time

圖14 不同化銑時(shí)間下圓孔表面三維圖Fig.14 Three-dimensional image of circular hole surface under different chemical milling time

2.4 液流試驗(yàn)驗(yàn)證

基于前文中對異形毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量以及表面光整技術(shù)的研究,采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)完成了異形毛細(xì)噴注器的一體化制備,并進(jìn)行了液流試驗(yàn)(見圖15),目標(biāo)值為流量100 g/s時(shí),壓降為(0.20±0.04)MPa。

圖15 SLM成形異形噴注器液流試驗(yàn)圖Fig.15 Test chart of liquid flow for special-shaped spray injector made by SLM

通過液流試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表6)可得,當(dāng)孔徑為0.9 mm時(shí),激光選區(qū)熔化成形毛細(xì)結(jié)構(gòu)噴注器液流壓降及均勻性均符合使用要求。

表6 不同模型孔徑下噴注器液流實(shí)測值

3 結(jié)論

1)隨著成形角度的增加,下表皮的表面形貌從大尺寸掛渣塌陷顆粒狀逐漸過渡到大尺寸掛渣塌陷顆粒+小尺寸掛渣塌陷顆粒、飛濺顆粒物+未完全熔化金屬粉末狀、未完全熔化金屬粉末顆粒狀。上表皮的表面形貌主要是未完全熔化金屬粉末顆粒狀,隨著成形角度的增加,未完全熔化金屬粉末的數(shù)量及尺寸逐漸增大,達(dá)到75°時(shí)趨于穩(wěn)定。

2)表面形貌的變化對表面粗糙度有較大影響,為在SLM成形中獲得上、下表皮表面質(zhì)量均良好的異形毛細(xì)結(jié)構(gòu),應(yīng)充分考慮空間位置擺放,調(diào)整成形角度,使其在75°～90°范圍內(nèi)。

3)通過化銑均勻性工裝及化銑參數(shù)的控制,實(shí)現(xiàn)了異形毛細(xì)結(jié)構(gòu)精細(xì)特征的高精度增材成形及表面光整技術(shù),尺寸精度達(dá)±0.05 mm,表面粗糙度小于6.3 μm,提升了以毛細(xì)結(jié)構(gòu)為代表的精細(xì)結(jié)構(gòu)成形能力,為后續(xù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高精度噴注器整體制造提供技術(shù)支撐。