李雯，徐可寧，黃勇，胡文穎，王道寬，姚思齊

（1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京101304； 2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083；3.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京100083）

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）是隨著激光技術(shù)發(fā)展及高亮度光纖激光器出現(xiàn)，從激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）發(fā)展起來(lái)的一種增材制造技術(shù)。SLM 利用高能束激光逐層照射預(yù)先鋪覆好的粉層顆粒，使其熔化并固化成形，最終形成致密的三維零件。近年來(lái)，SLM在航空航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用［1］。

21世紀(jì)伊始，人類迎來(lái)了新一輪的探月高潮。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出了“重返月球、建立月球永久性基地”計(jì)劃；歐洲航天局（ESA）制定了“極光”計(jì)劃，其主要任務(wù)是載人登月，建立月球基地，并以月球?yàn)樘鍖?shí)施載人火星探測(cè)任務(wù)。月球基地建設(shè)對(duì)人類未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)具有重要的軍事和經(jīng)濟(jì)價(jià)值［2］：①為長(zhǎng)期的空間科學(xué)與技術(shù)研究提供真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，促進(jìn)空間技術(shù)發(fā)展；②作為人類深空探測(cè)的前哨和補(bǔ)給站，拓展人類深空探測(cè)范圍；③作為太空移民的實(shí)驗(yàn)基地，促進(jìn)相關(guān)工程技術(shù)研究和發(fā)展。然而，月球基地建設(shè)尚存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，其中如何克服運(yùn)載火箭空間和有效載荷的限制并最大限度地節(jié)約建設(shè)周期和經(jīng)濟(jì)成本是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。據(jù)估算，在月球建設(shè)一個(gè)與國(guó)際空間站規(guī)模相同的永久性基地（重約450 t），僅“地-月”運(yùn)輸成本就高達(dá)50億美元［3］。

原位資源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU）概念最早由NASA提出，旨在通過(guò)勘測(cè)、獲取、利用地外天體的天然或廢棄資源，增強(qiáng)人類在地外空間的自給自足能力，最大限度地減少對(duì)地球供給的依賴，從而使人類真正走出地球，邁向深空，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程［4］。月球ISRU技術(shù)是實(shí)現(xiàn)月球表面大規(guī)模、復(fù)雜多樣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要途徑，也為實(shí)現(xiàn)專用工具和維修零件月面原位制造提供嶄新的解決思路，具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事研究?jī)r(jià)值。目前，美、德、英等國(guó)均有科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了月面原位成形技術(shù)研究，采用不同的成形設(shè)備和工藝，以模擬月壤為主要原材料，在地球?qū)嶒?yàn)室環(huán)境下探索月壤原位成形技術(shù)的可行性，并提出了堆積、燒結(jié)、熔融、模壓、粘結(jié)等多種成形方法［5］。研究發(fā)現(xiàn)，以高能束激光作為熱源的SLM成形技術(shù)具有成形所需能量小、自動(dòng)化程度高、適用于粉體加工、成形幾何精度高、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此在利用月球風(fēng)化層資源實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模和復(fù)雜程度的結(jié)構(gòu)件月面原位制造方面具有較好應(yīng)用前景。利用特殊設(shè)計(jì)的SLM設(shè)備（滿足環(huán)境適應(yīng)性），使用月球豐富的風(fēng)化層資源，在月球表面原位制造出不同規(guī)模和復(fù)雜程度的三維結(jié)構(gòu)（如結(jié)構(gòu)單元、維修工具和零件），可以滿足長(zhǎng)期無(wú)人/載人月面探測(cè)任務(wù)、月球基地可持續(xù)發(fā)展的需要［6-10］。最近5年，該領(lǐng)域研究受到國(guó)際航空航天研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，成為深空探測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，是未來(lái)“空間制造”的重要發(fā)展方向之一。

本文以一種與典型月海風(fēng)化層物質(zhì)物理力學(xué)屬性相近的模擬月壤為研究對(duì)象，采用地基實(shí)驗(yàn)研究方法，探索SLM 成形技術(shù)與ISRU概念相結(jié)合實(shí)現(xiàn)月壤原位制造的技術(shù)可行性，并對(duì)成形件幾何精度、力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估。研究成果可為中國(guó)探月工程及未來(lái)月球基地建設(shè)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 模擬月壤特性分析

地基和空基對(duì)月遙感信息及Apollo、Luna月面探測(cè)結(jié)果均顯示，月球表面普遍覆蓋著一層結(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小、厚度達(dá)數(shù)米至數(shù)十米的月球風(fēng)化層物質(zhì)。其中，粒徑小于10 mm的月球風(fēng)化層物質(zhì)被稱為月壤。月壤是月巖空間風(fēng)化作用和隕石高速撞擊作用下形成的混合體物質(zhì)，其顆粒礦物組成與其所處區(qū)域的月巖化學(xué)成分和礦物組成密切相關(guān)。月壤按照起源可分為月海玄武巖起源、月球高地起源、月海和高地混合源3種類型［11-12］。月壤的基本物質(zhì)類型包括礦物碎屑（橄欖石、斜長(zhǎng)石、單斜輝石、鈦鐵礦等）、原始結(jié)晶巖碎屑（玄武巖、斜長(zhǎng)巖、橄欖巖、蘇長(zhǎng)巖等）、角礫巖碎屑、各種玻璃（撞擊玻璃、黃色或黑色火成碎屑玻璃）、黏合集塊巖、隕石碎片（隕硫鐵、橄欖石、輝石、錐紋石、鎳紋石、合紋石）［13］，化學(xué)成分主 要 是 SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO等［11-12］。

月壤返回樣品極為珍貴，即使是擁有381.7 kg月壤返回樣品的美國(guó)也嚴(yán)格控制其使用范圍，并規(guī)定月壤返回樣品僅可用于非破壞性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。為此，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)以Apollo計(jì)劃不同登月點(diǎn)月壤返回樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合不同的科研任務(wù)目標(biāo)，研制了多種模擬月壤。中國(guó)多家科研機(jī)構(gòu)以嫦娥探月工程技術(shù)發(fā)展為牽引，研制了不同類型的模擬月壤。其中，中國(guó)空間技術(shù)研究院利用吉林省靖宇地區(qū)的火山灰為原料，研制出了TYII-0工程模擬月壤，其主要礦物相為橄欖石、輝石、長(zhǎng)石、鈦鐵礦，并含有大量的玻璃質(zhì)。模擬月壤具有與典型月海月壤相近的物理力學(xué)屬性：顆粒密度2 900 kg/m3，內(nèi)聚力0 kPa，內(nèi)摩擦角40°，中值粒徑100μm［14］。另外，這種以火山灰為原料研制的模擬月壤具有復(fù)雜的顆粒形態(tài)，從球形到極端棱角狀都有出現(xiàn)，如圖1所示，4種最常見(jiàn)的顆粒形態(tài)包括長(zhǎng)條形、次棱角形、棱角形、次圓形［15］。

本文將以上述模擬月壤作為原材料，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下（暫不考慮月球重力環(huán)境），開(kāi)展基于SLM 的模擬月壤原位成形技術(shù)實(shí)驗(yàn)探索研究。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)模擬月壤物理力學(xué)屬性的實(shí)驗(yàn)研究主要聚焦在土力學(xué)、地面力學(xué)等方面，主要用于為月面巡視探測(cè)器行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能評(píng)估、月面探測(cè)設(shè)備研制、月面除塵技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐，而針對(duì)SLM成形技術(shù)研究的模擬月壤物理力學(xué)屬性相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。因此，本文將首先開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，分析測(cè)量模擬月壤的化學(xué)成分、光譜吸收特性（吸收曲線）、質(zhì)量熱穩(wěn)定性（TGA曲線）及熔點(diǎn)溫度（DSC曲線）等物理屬性，用于指導(dǎo)SLM 成形設(shè)備及工藝參數(shù)選取，并為后續(xù)SLM鋪粉與成形過(guò)程熱離散元建模與仿真研究、模擬月壤原位成形技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1 礦物組成及化學(xué)成分分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）JSM-6510配備的能譜儀（EDS）對(duì)模擬月壤化學(xué)成分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。從EDS結(jié)果可知，模擬月壤的元素種類包含O、Si、Fe、Ti、Al、Mg、Ca、Na等；主要相的成分為SiO2、CaO、MgO、Al2O3、FeO等；與Apollo-12登月點(diǎn)月壤采集樣品（A12）的化學(xué)成分和礦物組成接近（見(jiàn)表1）。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)化學(xué)元素/%模擬月壤 A12月壤［11］36.48 46.31 Si 23.38 21.60 Fe 8.89 11.70 Ti 1.01 1.80 Al 2.78 3.40 Cr 0.12 Mn 0.15 Mg 7.26 5.60 Ca 12.22 7.60 Na 0.85 0.40 K 0.26 P 0.17 O S 0.12

吸收光譜是材料在某些頻率上對(duì)電磁輻射的吸收所呈現(xiàn)的比率，與發(fā)射光譜相對(duì)。不同波長(zhǎng)光對(duì)樣品作用不同，吸收強(qiáng)度也不同，通常用一個(gè)無(wú)量綱標(biāo)量“吸收率A”定量描述，定義為吸收的輻射與入射的輻射比值。材料吸收率越高，則發(fā)生熔融所需的輸入能量越小，因此，吸收率可以作為SLM工藝參數(shù)選取和優(yōu)化的參考。本文利用PerkinElmer Lambda 950紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)，在惰性氣體環(huán)境下（避免地球大氣環(huán)境中CO2、H2O對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響），測(cè)量了模擬月壤實(shí)驗(yàn)粉的光譜吸收特性，其吸收曲線如圖2所示。

從實(shí)驗(yàn)獲得的吸收曲線可知，模擬月壤在紫外/可見(jiàn)/近紅外光區(qū)（波長(zhǎng)λ=200～2 500 nm）具有較高的光吸收能力。在紫外光區(qū)，模擬月壤吸收率存在1個(gè)峰值點(diǎn)（A=0.98，λ=249 nm）；在可見(jiàn)光區(qū)，吸收率隨波長(zhǎng)單調(diào)遞減，從0.72降低到0.63；在近紅外光區(qū)，吸收率隨波長(zhǎng)非線性

1.2 吸收光譜分析

變化，幅值范圍為0.50～0.69；SLM 配備的IPG光纖激光器工作波長(zhǎng)λ=1 070 nm，模擬月壤吸收率測(cè)量值為0.68，低于JSC-1AC模擬月壤測(cè)量值［7］。另外需要特別指出的是，模擬月壤在紫外/可見(jiàn)/近紅外光區(qū)均表現(xiàn)出較高的光吸收能力，而根據(jù)月球表面太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)可知，月表太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1358～1421 W/m2［16］，約為地球太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的15 000倍，開(kāi)展以太陽(yáng)光為熱源的SLM設(shè)備研制將可有效解決地外空間原位制造技術(shù)對(duì)可持續(xù)能源供給的需求，該研究將是未來(lái)發(fā)展的又一重要研究方向。

1.3 熱分析

利用DSC-TGA同步熱分析儀SDT Q600，對(duì)模擬月壤進(jìn)行熱重分析（Thermo-Gravimetry Analysis，TGA）和差示掃描量熱分析（Difference Scanning Calorimetry，DSC）。通過(guò)TGA判斷模擬月壤實(shí)驗(yàn)粉中是否存在揮發(fā)成分；通過(guò)DSC分析確定材料的熔點(diǎn)溫度。圖3為模擬月壤TGA曲線，圖4為模擬月壤DSC曲線，升溫速度為20℃/min。

圖3 模擬月壤TGA曲線Fig.3 TGA curve of lunar regolith simulant

如圖3所示，在25～1 200℃溫度范圍，模擬月壤的質(zhì)量變化很小，最大失重率僅為0.32%，具有良好的質(zhì)量熱穩(wěn)定性，有利于在SLM成形過(guò)程中形成均勻致密的組織結(jié)構(gòu)，降低成形件表面及內(nèi)部產(chǎn)生缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。模擬月壤在寬溫域范圍保持低失重率的原因可以解釋為：實(shí)驗(yàn)粉主要礦物成分為橄欖石、輝石、長(zhǎng)石、鈦鐵礦、玻璃質(zhì)，其在1200℃以下的揮發(fā)性小。在25～300℃溫度范圍，模擬月壤發(fā)生的質(zhì)量損失主要源于吸附在顆粒表面、顆粒-顆粒之間、顆粒多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的液態(tài)水的蒸發(fā)；此后出現(xiàn)的質(zhì)量損失主要源于模擬月壤中微量組分發(fā)生汽化所致。因此，在SLM成形工藝參數(shù)選取中，要避免過(guò)高的能量輸入，否則粉床內(nèi)顆?？赡馨l(fā)生汽化現(xiàn)象，形成局部缺陷。

如圖4所示，模擬月壤的一個(gè)主要吸熱峰值位于1 050℃，可以將其作為實(shí)驗(yàn)粉材的熔點(diǎn)溫度，其與JSC-1AC 模擬月壤的熔點(diǎn)溫度接近（Tm=1 120℃［7］）。

1.4 粒度分布

利用激光粒度分布儀BT-9300S測(cè)量了模擬月壤原始粉的粒度分布，并通過(guò)粒徑級(jí)配曲線（見(jiàn)圖5）描述。可見(jiàn)，模擬月壤原始粉的粒度分布范圍較廣，從亞微米到數(shù)百微米的顆粒粒徑均存在。其中，等效粒徑的最大、最小值分別為716μm、0.497μm；中值粒徑（D50）為116.0μm（與文獻(xiàn)［14］略有差別），粒徑小于231.5μm的顆粒占總質(zhì)量比的90%（D90=231.5μm）；粒徑小于54.4μm的顆粒占總質(zhì)量比的10%（D10=54.4μm）。

圖5 模擬月壤的粒徑級(jí)配曲線Fig.5 Particle size distribution curves of lunar regolith simulant

2 SLM 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 模擬月壤預(yù)處理

大量研究表明，顆粒形態(tài)、粒徑級(jí)配是影響顆粒系統(tǒng)流動(dòng)性的重要因素。復(fù)雜顆粒形態(tài)可以增加顆粒間的切向接觸力，產(chǎn)生互鎖現(xiàn)象；細(xì)顆粒間的范德華力、靜電力對(duì)顆粒接觸力學(xué)、動(dòng)力學(xué)行為影響顯著，將增加顆粒-顆粒、顆粒-壁面之間的粘附強(qiáng)度，形成顆粒團(tuán)聚、壁面沉積現(xiàn)象。在SLM鋪粉過(guò)程中，粉材流動(dòng)性對(duì)所形成粉床質(zhì)量存在顯著影響，流動(dòng)性差的粉材會(huì)降低粉床內(nèi)局部區(qū)域的顆粒配位數(shù)，形成不均勻排列的顆粒系統(tǒng)，在宏觀上表現(xiàn)為非均質(zhì)且各向異性的粉層；粉床質(zhì)量差會(huì)引起SLM 成形過(guò)程中出現(xiàn)不連續(xù)的熔池和孔洞，造成成形件表面粗糙、內(nèi)部存在缺陷、致密度低。因此，本文在開(kāi)展SLM 實(shí)驗(yàn)研究以前，首先需要制備出具有較好流動(dòng)性的模擬月壤實(shí)驗(yàn)粉。具體思路如下：以TYII-0模擬月壤原始粉作為基礎(chǔ)材料，通過(guò)機(jī)械分選處理，獲得不同粒徑級(jí)配的粉體材料，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，合理選取粒度分布范圍，以確保實(shí)驗(yàn)粉在SLM鋪粉過(guò)程中具有好的流動(dòng)性，從而形成結(jié)構(gòu)均勻致密的粉層。

本文選用一種氣流磨設(shè)備對(duì)模擬月壤原始粉進(jìn)行分級(jí)處理，獲得不同粒徑級(jí)配的實(shí)驗(yàn)粉，再通過(guò)流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)與離散元數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，確定具有最佳流動(dòng)性的粒度分布范圍。研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)刃Я娇刂圃?0～120μm范圍時(shí)，實(shí)驗(yàn)粉的流動(dòng)性最好。因此，在SLM成形技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究中，將使用粒度分布在70～120μm 的實(shí)驗(yàn)粉。

2.2 SLM 工藝參數(shù)確定

選用德國(guó)Solutions SLM125成形設(shè)備，開(kāi)展模擬月壤的SLM 實(shí)驗(yàn)研究。SLM125配置的IPG光纖激光器工作波長(zhǎng)為1 070 nm，最大輸出功率為400 W，可調(diào)光斑直徑為70～100μm，最大成形尺寸為125 mm×125 mm×125 mm。在激光器的工作波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)粉的光吸收率為0.68。

陶瓷和玻璃材料的SLM成形研究表明，若要獲得幾何精度好的成形件，需要將激光體積能量密度控制在相對(duì)低的水平，因?yàn)榧す怏w積能量密度較高時(shí)，粉床中的顆粒完全熔化，導(dǎo)致熔池周圍出現(xiàn)收縮、球化效應(yīng)，形成熱影響區(qū)。但是，若要獲得力學(xué)性能好的成形件，則需要將激光體積能量密度控制在相對(duì)高的水平，因?yàn)榉€(wěn)定的熔池將形成致密的成形件，使其密度接近原始材料密度。本文開(kāi)展SLM成形工藝參數(shù)研究的目標(biāo)是：使用最小的激光輸出功率，以最快的速度完成SLM成形，并保證成形件具有合理的幾何精度及可接受的力學(xué)性能。前人研究發(fā)現(xiàn)，SLM 成形件質(zhì)量與多個(gè)工藝參數(shù)相關(guān)，這些參數(shù)都會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生影響，但又無(wú)法通過(guò)串行方式對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)優(yōu)化。為此，本文引入激光體積能量密度Ed，其常用于描述單位體積材料施加的平均能量，數(shù)學(xué)表達(dá)式為［17］

式中：Ed為激光體積能量密度；P為激光輸出功率，W；v為激光掃描速度；HD為激光掃描間距；LT為鋪粉層厚。

基于Goulas和Friel［18］利用JSC-1AC模擬月壤和SLM設(shè)備成功制造出3D零件所用的工藝參數(shù)，初步確定式（1）各個(gè)變量值，再利用SLM125設(shè)備和本文制備的模擬月壤，開(kāi)展一系列的標(biāo)準(zhǔn)樣件（5 mm×5 mm）SLM成形測(cè)試，最終確定本文的最佳工藝參數(shù)，如表2所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光體積能量密度Ed=15 J/mm3時(shí)，成形件幾何精度高；但當(dāng)激光體積能量密度增加到50 J/mm3時(shí)，成形件產(chǎn)生了嚴(yán)重的翹曲變形。

參數(shù) 數(shù)值 參考值［17］/W 40 10～50激光工作波長(zhǎng)λ/μm 1.07 1.07～1.09激光光斑直徑φ/μm 70 100～300激光掃描速度v/（mm·s-1） 190 20～300激光掃描間距H D/μm 140 210～300鋪粉層厚L T/μm 100 100～350基板預(yù)熱溫度T激光輸出功率P/℃ 200 200

3 結(jié)果分析

3.1 模擬月壤SLM 成形技術(shù)驗(yàn)證

利用SLM125成形設(shè)備和制備的模擬月壤粉體材料，在地球重力條件下開(kāi)展了模擬月壤原位成形技術(shù)探索實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，在較低激光輸出功率（P=40 W）、較快加工速度下，可以成功3D打印出具有復(fù)雜幾何特征的齒輪和扳手模型（見(jiàn)圖6）。另外，為了定量評(píng)價(jià)SLM 成形件的幾何精度，以齒輪的中心圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑為研究對(duì)象，選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并取其平均值與齒輪設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，利用SLM 設(shè)備及優(yōu)化的工藝參數(shù)和粒度分布的模擬月壤粉體材料，可以成功制造出具有高幾何精度的3D零件，因此證明了基于SLM 的模擬月壤原位成形技術(shù)的可行性，這將為解決月球基地大規(guī)模建設(shè)工程問(wèn)題及載人/無(wú)人月面長(zhǎng)期探測(cè)任務(wù)中維修零件和工具現(xiàn)場(chǎng)制造問(wèn)題提供了有效途徑。但需要指出的是，本文實(shí)驗(yàn)是在傳統(tǒng)SLM 設(shè)備上開(kāi)展的，沒(méi)有引入月面低重力、高真空環(huán)境因素，后續(xù)計(jì)劃開(kāi)展考慮月面環(huán)境適應(yīng)性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)及仿真研究，測(cè)量模擬月壤在高真空環(huán)境下的熱物性、低重力環(huán)境對(duì)粉床形成的作用機(jī)制，以及多因素協(xié)同對(duì)SLM成形件質(zhì)量的影響等。

參數(shù) 中心圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑設(shè)計(jì)值/mm 44.19 39.00 26.00測(cè)量平均值/mm 44.28 39.36 25.75

3.2 壓縮強(qiáng)度分析

基于SLM的月壤原位成形技術(shù)研究目標(biāo)是：利用月球表面豐富的月壤資源，采用增材制造方法，在月球表面制造出具有高幾何精度和良好力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)單元及功能零件，以實(shí)現(xiàn)月球基地和月面探測(cè)器的自維持、自修復(fù)構(gòu)想。因此，模擬月壤SLM 成形件不但要滿足高幾何精度要求以外，還要滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的力學(xué)性能要求。本文通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)量了SLM成形件的壓縮強(qiáng)度，其峰值強(qiáng)度為10.39 MPa，比文獻(xiàn)［17］模擬月壤成形件壓縮強(qiáng)度提高3倍以上。

為了進(jìn)一步提高SLM成形件的力學(xué)性能，通過(guò)減小粉層厚度的方法來(lái)增加激光體積能量密度，也就是通過(guò)減小粉層厚度，使粉床中顆粒通過(guò)直接吸收激光能量或顆粒間熱輻射和熱傳導(dǎo)作用間接獲取更多的能量后發(fā)生相變，在經(jīng)冷卻后固結(jié)，形成一層致密的結(jié)構(gòu)體，避免由于顆粒吸收的激光能量不足而引起的層間界面強(qiáng)度低、表面粗糙、致密度低等問(wèn)題。本文設(shè)定粉層厚度為70μm（等于最小等效粒徑），保持其他工藝參數(shù)不變，在相同條件下進(jìn)行模擬月壤SLM 成形，并通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)量成形件力學(xué)性能。研究結(jié)果顯示，粉層厚度降低有利于成形件力學(xué)性能提高，鋪粉厚度為70μm的模擬月壤SLM 成形件的壓縮強(qiáng)度提高到35.23 MPa，約為鋪粉厚度100μm成形件的3倍。

4 結(jié) 論

本文利用與A12月壤樣品化學(xué)成分近似的模擬月壤和SLM125成形設(shè)備（配備IPG光纖激光器），探索通過(guò)SLM成形技術(shù)與ISRU概念相結(jié)合實(shí)現(xiàn)月壤原位增材制造的可行性。研究結(jié)論如下：

1）使用的模擬月壤在IPG光纖激光器工作波長(zhǎng)具有較高光吸收率，在較低激光體積能量密度下可以實(shí)現(xiàn)3D零件SLM 成形，成形件幾何精度和力學(xué)性能較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于SLM的模擬月壤原位成形技術(shù)的可行性，并且該技術(shù)有望成為解決月球基地大規(guī)模、復(fù)雜多樣建設(shè)任務(wù)及月面探測(cè)設(shè)備維修零件和工具現(xiàn)場(chǎng)制造的一種有效途徑。

2）使用的模擬月壤在紫外/可見(jiàn)/近紅外光譜范圍都具有較高光吸收率，在波長(zhǎng)249 nm時(shí)吸收率高達(dá)0.98。月球表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)約為地球的15 000倍，研制以太陽(yáng)光為熱源的SLM成形技術(shù)替代現(xiàn)有以高能束激光為熱源的SLM 成形技術(shù)，將成為空間風(fēng)化層原位增材制造技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的重要發(fā)展方向，具有重要的軍事和經(jīng)濟(jì)意義。

3）模擬月壤顆粒形狀復(fù)雜、粒度分布較廣，導(dǎo)致流動(dòng)性差，無(wú)法直接用于SLM 成形加工，需要對(duì)其進(jìn)行粒度分布優(yōu)化預(yù)處理。本文采用氣流磨設(shè)備提取等效粒徑在70～120μm范圍的模擬月壤顆粒，具有最佳流動(dòng)性。但從環(huán)境適應(yīng)性角度考慮，氣流磨設(shè)備不能在月面高真空環(huán)境下工作，因此需要研制其他粉材分選處理設(shè)備。

4）鋪粉厚度對(duì)成形件力學(xué)性能影響顯著，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，鋪粉厚度為70μm的模擬月壤成形件，與鋪粉厚度為100μm的模擬月壤成形件相比，壓縮強(qiáng)度顯著提高。但需要特別注意的是，鋪粉厚度選取要同時(shí)考慮顆粒粒徑、激光體積能量密度，鋪粉厚度過(guò)小時(shí)，可能出現(xiàn)顆粒破碎和激光體積能量密度過(guò)高引起的嚴(yán)重?zé)嶙冃螁?wèn)題，導(dǎo)致成形件幾何精度降低甚至成形失敗。

本文研究目的是探索基于SLM 的模擬月壤3D打印技術(shù)的可行性，所開(kāi)展的SLM 成形實(shí)驗(yàn)均是在地球?qū)嶒?yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，沒(méi)有考慮月球低重力、高真空等極端環(huán)境影響。建議后續(xù)開(kāi)展考慮月球低重力、高真空環(huán)境的SLM鋪粉及成形過(guò)程的地面環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)和多尺度數(shù)值仿真研究，定量評(píng)價(jià)月球環(huán)境效應(yīng)對(duì)SLM成形件幾何精度、力學(xué)性能的作用機(jī)制，開(kāi)展相關(guān)的月面環(huán)境適應(yīng)性研究。