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)動機核心構件呈現(xiàn)復雜、薄壁、多功能、整體化和輕質化等新特征，為發(fā)動機的研制與生產帶來挑戰(zhàn)，急需開展新工藝、新技術的研究來滿足發(fā)動機的制造需求。20世紀90年代以來，隨著激光技術、計算機技術、CAD/CAM技術以及機械工程技術的發(fā)展，金屬零件激光快速成形技術在激光熔覆技術和快速原型技術基礎上應運而生，迅速成為快速成形領域內最有發(fā)展前途的先進制造技術之一[1]，為液體火箭發(fā)動機復雜精密構件的快速成形帶來新的思路。

1 激光快速成形技術原理及分類

激光快速成形技術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，通過激光加熱產生相變、燒結、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，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技術的性能參數(shù)進行了對比。

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

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

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 SLM技術研究現(xiàn)狀

SLM技術是由德國Fraunhofer研究所于1995年最早提出，在金屬粉末選擇性燒結基礎上發(fā)展起來的。作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)，美國、德國等發(fā)達國家高度重視并積極推廣SLM技術，由于該技術能解決傳統(tǒng)加工技術難以克服的難題，在航空航天和國防等領域受到高度重視。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技術為基礎對火箭發(fā)動機及飛行器中的關鍵構件制造技術全面重新評估。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雜精密構件的制造。目前，SLM的設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已經生產了400多套直接金屬激光燒結系統(tǒng)。

國內開展激光精密選區(qū)熔化成形技術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域的需求，自主研制出了SLM設備樣機，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，所制造構件的致密度接近100%，最小尺寸精度可達±50 μm，許多材料構件的機械性能都優(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域實現(xiàn)應用。

2.2 LMD技術研究現(xiàn)狀

LMD技術可追溯到20世紀70年代末期的激光多層熔覆研究[1]。經過幾十年發(fā)展，國外激光熔覆沉積技術典型代表包括德國 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)化的技術及設備已經取得了實質性的成果，可制備疊層材料、功能復合材料、裁縫式地制成“變成分”材料或研制零件整體葉盤、框、梁等關鍵構件，且其力學性能達到鍛件的水平。該技術相關成果已在武裝直升機、AIM導彈、波音7X7客機、F/A-18E/F、F22戰(zhàn)機等方面均有實際應用，已成為美國航空航天國防武器裝備金屬結構件的核心制造新技術之一。目前，美國專門成立了國家增材制造技術中心，擬加快增材制造技術推廣應用。

國內方面，自“十五”開始，國內激光熔覆沉積技術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研究機構先后開展激光快速成型與修復技術及其設備開發(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構件方面取得突破性進展，采用激光快速成型技術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)大學凝固技術國家重點實驗室制造出了國產大飛機C919中央翼緣條。

3 激光快速成形技術發(fā)展趨勢

3.1 成形工藝

激光快速成形技術在金屬構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力變形、內部缺陷等瓶頸問題并未得到徹底的解決。目前國內外只是針對幾種典型的金屬結構件提出了缺陷控制和應力變形控制的方案，離工程化應用尚有一定距離，一旦金屬零件結構發(fā)生較大變化，必須重新進行工藝試驗試制。為此，消除大尺寸構件的成形應力，提高構件的綜合性能是激光快速成形技術未來研究的一個主要方向。

3.2 成形設備

現(xiàn)有的激光快速成形設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，設備的技術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研究，是激光快速成形設備的發(fā)展方向。

此外，目前技術成熟的兩種激光快速成形技術中，SLM技術成形精度高，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技術成形效率雖高，但其成形精度較差，成形構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)大尺寸復雜構件的凈成形，是激光快速成形設備的一個發(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用需求。將激光快速成形技術拓展至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的發(fā)展方向。

4 激光快速成形技術在液體火箭發(fā)動機上的應用優(yōu)勢分析

液體火箭發(fā)動機是航天發(fā)展的基礎。液體火箭發(fā)動機結構復雜，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)動機具有如下的結構特點：

1）材料多樣性

液體火箭發(fā)動機生產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）結構異型化

液體火箭發(fā)動機零部件結構復雜，某些核心部件采用復雜多層內腔、薄壁型面結構。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構復雜，渦道內腔為大曲率變截面形狀，屬封閉渦道、復雜內腔類殼體。

3）工藝復雜性

發(fā)動機上一些核心構件形狀極其復雜，存在多層內腔、薄壁型面等結構，使得加工工藝過程復雜，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，生產工序繁瑣，周期較長，生產1個鑄件需要38道工序，生產周期長達3個月。某型號推力室采用再生冷卻結構，其生產過程涉及擴散釬焊、復合鍍層電鍍、電子束焊等20多種工藝方法，500多道工序。

激光快速成形技術把復雜三維制造轉化為二維制造的疊加，消除了零件的空間復雜程度，可直接制造出任意復雜形狀的功能件。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雜結構的金屬零件，以滿足航空、航天、國防及生物醫(yī)學等領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，生產成本低，適用技術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）設計工藝一體化，激光選區(qū)熔化技術是集設計和工藝高度集成、一體化的技術，可按使用要求進行設計，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不受構件的復雜程度影響，可直接制備出形狀復雜、尺寸精度高、表面粗糙度低、組織結構致密、性能穩(wěn)定的金屬構件，且后續(xù)加工量甚少，因此有望成為突破航天發(fā)動機復雜精密構件制造技術難題的最佳選擇方案之一，在液體火箭發(fā)動機產品制造上具有獨特應用優(yōu)勢。

5 激光快速成形技術在液體火箭發(fā)動機上的應用前景

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)復雜、薄壁、多功能、整體化和輕質化新特征，為發(fā)動機的研制與生產帶來了巨大的困難，采用傳統(tǒng)金屬零件去材制造方法存在工序多、成本高、從設計到零件制造周期長等問題，難以滿足新產品的快速響應制造需求。部分復雜精密構件甚至無法用現(xiàn)有的工藝方法完成加工，只有通過修改設計方案以適應制造工藝，影響了發(fā)動機的整體性能。激光快速成形技術可直接制備出形狀復雜、尺寸精度高、組織結構致密、性能穩(wěn)定的金屬構件，在液體火箭發(fā)動機產品的制造上具有潛在的應用前景。

5.1 復雜薄壁殼體類

液體火箭發(fā)動機泵與閥的殼體大多為薄壁多層復雜結構，圖1為幾種典型的殼體類產品。這類產品壁厚較薄，內腔形狀復雜，盲腔死腔多，無法采用傳統(tǒng)機械加工、電加工等方案成形，精密鑄造技術雖能解決該類產品的加工制造難題，但內部質量控制難度大，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)動機研制生產的瓶頸。激光快速成形技術不受構件復雜程度的影響，且成形構件組織致密，性能優(yōu)異，在該類產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)動機上輪盤類產品大多采用復雜扭曲葉片結構，如泵葉輪、渦輪盤、渦輪靜子等（見圖2）。該類產品葉片型面復雜，流道狹窄，機械加工難度大。目前，輪盤類產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，鑄造工藝存在產品缺陷多、強度低，且葉形尺寸精度不滿足設計要求的問題；電火花成形的產品葉形精度雖可滿足設計要求，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可避免上述問題的發(fā)生，適用于該類產品的成形。

圖2 發(fā)動機典型的輪盤類產品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）。該類產品空間造型復雜，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%。激光快速成形技術消除了零件的空間復雜程度，可以直接制造出任意復雜形狀的功能件，為薄壁異型產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 大型承力框架類結構

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%。激光快速成形技術屬于增材制造，材料利用率接近100%，且成形構件組織結構致密、性能可達鍛件水平，適合該類產品的成形。

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 薄壁夾層結構

液體發(fā)動機上熱端部件大量采用了薄壁夾層結構，如推力室噴管、發(fā)生器等。圖5為幾種典型的薄壁夾層結構件。目前，該類產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，裝配過程復雜，生產周期長。此外，該方案對釬焊內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，影響產品質量。激光快速成形技術可按設計模型直接成形，且成形構件性能優(yōu)良，采用該技術成形薄壁夾層結構類產品，可縮短產品制造周期，提高發(fā)動機可靠性。

圖5 發(fā)動機典型薄壁夾層結構產品Fig.5 Typical engine products with thin-walled sandwich structure

6 結束語

激光快速成形技術以其獨特的技術優(yōu)勢，將為液體火箭發(fā)動機復雜精密構件提供全新的高效、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域精密、復雜功能結構件的成形難題。發(fā)展激光快速成形技術，實現(xiàn)其在液體火箭發(fā)動機上的推廣應用，對提升我國航天液體動力系統(tǒng)的制造工藝技術水平和核心競爭力具有重要意義。

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