孫紀(jì)國，何學(xué)青，陽代軍，鄭孟偉，徐坤和

(1.北京航天動力研究所，北京 100076；2.首都航天機械有限公司，北京 100076)

0 引言

隨著人類探索太空的不斷深入，世界各國將越來越多的探索目標(biāo)瞄準(zhǔn)了更加遙遠(yuǎn)的深空，大力發(fā)展大推力重型運載火箭是實施太空發(fā)展戰(zhàn)略的必要保證，可以有效地拓展航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間、大幅提升進(jìn)入空間能力、促進(jìn)航天科技整體水平提高，進(jìn)一步增強中國在國際社會的政治影響力，提高綜合國力，有著重要的戰(zhàn)略意義?！昂教彀l(fā)展，動力先行”已成為世界各航天大國的成功經(jīng)驗，我國現(xiàn)有運載火箭發(fā)動機推力偏低，無法滿足新一代運載火箭動力系統(tǒng)的要求，因此開展了220 tf補燃?xì)溲醢l(fā)動機的研制。220 tf補燃?xì)溲醢l(fā)動機的推力為國內(nèi)現(xiàn)役最大推力氫氧發(fā)動機的3倍多，220 tf大推力補燃?xì)溲醢l(fā)動機工況惡劣，承受大應(yīng)力、大承載、超高溫、超低溫、強烈振動、劇烈沖刷、富氫環(huán)境等，對發(fā)動機部件和組件性能提出了更高的要求。220 tf補燃?xì)溲醢l(fā)動機推力室燃燒室壓力高、熱流大，需要研制高換熱效率和長壽命的推力室身部；220 tf補燃?xì)溲醢l(fā)動機噴管面積比、出口直徑和軸向長度均是目前最大的，需要研制超大尺寸高性能噴管延伸段；為了滿足高內(nèi)壓、超低溫或高溫使用環(huán)境下殼體的性能，需要研制大尺寸高溫合金和鈦合金復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)精密成形，發(fā)動機研制技術(shù)跨度與難度大，給我國基礎(chǔ)工業(yè)水平帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，必須針對220 tf補燃?xì)溲醢l(fā)動機推力室、預(yù)燃室、渦輪泵、閥門、管路等組合件開展制造技術(shù)攻關(guān)。

制造工藝技術(shù)是220 tf級補燃?xì)溲醢l(fā)動機研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括大尺寸推力室身部內(nèi)壁成形技術(shù)、大尺寸身部內(nèi)外壁連接技術(shù)、大尺寸再生冷卻噴管制造技術(shù)、高強度渦輪盤制造技術(shù)、大尺寸零件近凈成形粉末冶金技術(shù)、大尺寸結(jié)構(gòu)的增材制造成形技術(shù)、大尺寸殼類結(jié)構(gòu)精密鑄造技術(shù)、大尺寸空間管路成形與連接技術(shù)、大尺寸高壓組件精密裝配技術(shù)等9項研究內(nèi)容。通過工藝技術(shù)研究，完成了首臺220 tf級補燃?xì)溲醢l(fā)動機工程樣機的研制，該發(fā)動機設(shè)計總高約6 m、單機質(zhì)量約4.8 t，為我國大推力運載火箭的研究奠定了堅實基礎(chǔ)。

1 大尺寸推力室身部內(nèi)壁成形技術(shù)

1.1 Cu-Cr-Zr合金餅材制造技術(shù)

Cu-Cr-Zr合金具有較好的高溫強度、導(dǎo)熱等綜合性能，推力室身部內(nèi)壁選用了Cu-Cr-Zr合金材料。由于身部尺寸和工作壓力的大幅提高，身部內(nèi)壁成形用Cu-Cr-Zr合金餅材的尺寸也大幅增加，同時對Cu-Cr-Zr合金餅材的質(zhì)量控制也提出了更高的要求。因此，通過合理的合金元素配比，保證了材料具有良好高溫性能及良好電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率；通過合理的成形和熱處理工藝設(shè)計，保證了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和材料的綜合性能，研制出大尺寸推力室內(nèi)壁旋壓用鍛造Cu-Cr-Zr合金餅材，該Cu-Cr-Zr合金餅材時效后相對電導(dǎo)率大于85%IACS，如圖1所示。

圖1 Cu-Cr-Zr合金鍛造餅材Fig.1 Forged Cu-Cr-Zr alloy disc

1.2 推力室身部內(nèi)壁旋壓成形技術(shù)

推力室身部內(nèi)壁選用了旋壓成形技術(shù)，其身部內(nèi)壁型面為復(fù)雜的超大空間曲面形式，收縮比大、精度要求高，成形難度大。通過分析Cu-Cr-Zr合金材料的塑性成形特性，獲得了大型曲母線Cu-Cr-Zr合金構(gòu)件整體旋壓成形工藝。如圖2所示，采用“錐形強旋→柱段成形→普旋收筒→筒形強旋→母線成形”的工藝方案，實現(xiàn)了大尺寸Cu-Cr-Zr合金身部內(nèi)壁的旋壓成形。

圖2 Cu-Cr-Zr合金旋壓成形及產(chǎn)品Fig.2 Product and spinning forming of Cu-Cr-Zr alloy

1.3 身部內(nèi)壁高精度銑槽加工技術(shù)

推力室身部內(nèi)壁冷卻通道尺寸的精度決定了身部熱防護(hù)的效果，特別是內(nèi)壁的厚度直接決定了身部內(nèi)壁壽命，影響發(fā)動機推力室的冷卻可靠性，剩余壁厚均勻是判斷噴管的熱防護(hù)是否可靠的重要指標(biāo)。身部內(nèi)壁溝槽采用了銑削加工工藝，通過立式裝夾銑槽加工，解決了大尺寸內(nèi)壁傳統(tǒng)臥式銑加工變形難題，實測內(nèi)壁剩余壁厚0.66～0.91 mm，滿足了發(fā)動機的熱防護(hù)使用要求，如圖3所示。

圖3 立式裝夾銑槽技術(shù)Fig.3 Process of milling slot with vertical clamping

2 大尺寸身部內(nèi)外壁連接技術(shù)

推力室身部制造方式主要有“銑槽式內(nèi)壁+電鑄鎳外壁”和“銑槽式內(nèi)壁+擴散(釬)焊外壁”兩種工藝方法。兩種工藝方法均有利弊，我國現(xiàn)役的氫氧發(fā)動機廣泛采用的是電鑄工藝技術(shù)，該工藝生產(chǎn)周期較長，通常需4～6個月；對于擴散釬焊技術(shù)，銅合金內(nèi)壁經(jīng)過釬焊后，導(dǎo)致內(nèi)壁強度降低。針對大推力氫氧推力室身部，進(jìn)行了兩種工藝方法研究。

2.1 推力室身部內(nèi)外壁電鑄技術(shù)

如圖4所示，通過優(yōu)化電鑄工藝參數(shù)、增加輔助陽極和陰極屏蔽、優(yōu)化填料配比等，提高電流強度和電阻分布的均勻性，從而提高推力室身部電鑄速度，實現(xiàn)推力室身部的快速電鑄，產(chǎn)品性能符合技術(shù)指標(biāo)要求，可保證發(fā)動機的使用性能。

圖4 電鑄推力室身部Fig.4 Electroforming thrust chamber body

2.2 推力室身部內(nèi)外壁釬焊技術(shù)

推力室身部內(nèi)壁材料為Cu-Cr-Zr合金、外壁材料為GH4169合金，內(nèi)外壁材料通過擴散釬焊工藝結(jié)合在一起形成冷卻通道，如圖5所示。

圖5 Cu-Cr-Zr/GH4169擴散釬焊身部Fig.5 Cu-Cr-Zr/GH4169 diffusion brazed thrust chamber body

通過擴散焊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、擴散焊接頭力學(xué)性能研究，以及系列平板、圓柱模盒和大尺寸帶型面產(chǎn)品的工藝試驗，確定了Cu-Cr-Zr/GH4169擴散焊工藝方案及參數(shù)，試驗件液壓試驗強度達(dá)到60 MPa。研究結(jié)果表明，Cu-Cr-Zr合金經(jīng)過正常擴散釬焊后，強度下降明顯，需要采取措施提高Cu-Cr-Zr合金釬焊接頭的強度。

3 大尺寸再生冷卻噴管制造技術(shù)

再生冷卻噴管是補燃?xì)溲醢l(fā)動機的重要組件，F(xiàn)150雙相不銹鋼具有良好的釬焊性能和低溫韌性，適合作為氫氧發(fā)動機噴管外部材料，其內(nèi)壁材料選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，采用內(nèi)壁銑槽、外壁直接套接結(jié)構(gòu)擴散釬焊制造工藝。

2.5 m全尺寸補燃?xì)溲醢l(fā)動機再生冷卻噴管外壁為F150不銹鋼、內(nèi)壁為1Cr18Ni9T溝槽結(jié)構(gòu)，根據(jù)噴管內(nèi)外壁的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行下料，采用滾彎成形工藝制成錐筒，利用激光焊接將錐筒拼接成整體，然后通過模具脹形形成內(nèi)外曲母線型面，在內(nèi)壁上銑槽，將內(nèi)外壁封焊裝配在一起，最后進(jìn)行真空壓力擴散釬焊，焊接成整體噴管，擴散釬焊發(fā)動機噴管產(chǎn)品液壓強度達(dá)到34 MPa，滿足了研制要求，如圖6所示。首件產(chǎn)品液流試驗數(shù)據(jù)表明冷卻通道的壓降超過設(shè)計指標(biāo)，在工程研制階段需要對降低冷卻通道流阻進(jìn)行工藝攻關(guān)，以滿足設(shè)計的要求。

圖6 噴管擴散釬焊工藝流程Fig.6 Diffusion brazing process of nozzle

4 高強度渦輪盤制造技術(shù)

4.1 渦輪盤扭曲葉片加工成形技術(shù)

目前，國內(nèi)外渦輪盤均采用電火花加工，差距在于國外采取組合加工方法來提高加工效率，國內(nèi)加工帶葉冠渦輪盤葉片僅是單一的采用電火花加工，加工效率比較低。渦輪一般為帶冠扭曲葉片設(shè)計，采用多軸聯(lián)動數(shù)控電火花加工技術(shù)，將左右組合電極設(shè)計成一體結(jié)構(gòu)，如圖7所示。采用組合電極技術(shù)將加工時間從1個月縮短至15天。

圖7 組合電極加工狀態(tài)Fig.7 Processing states for the combination electrode

4.2 盤軸慣性摩擦焊技術(shù)

慣性摩擦焊在國內(nèi)航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較少，慣性摩擦焊接技術(shù)能使發(fā)動機用氫、氧轉(zhuǎn)子組件等盤軸類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝簡化，有效提高動平衡精度要求。同時慣性摩擦焊接頭的綜合性能優(yōu)良，產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定可靠。如圖8所示，采用慣性摩擦焊技術(shù)將渦輪的盤和軸進(jìn)行固相連接，連接接頭的拉伸力學(xué)性能和高溫持久性能均滿足技術(shù)要求，著色檢測和超聲檢測合格，焊接接頭解剖分析焊縫內(nèi)部無未焊合、裂紋等焊接缺陷。

圖8 慣性摩擦焊焊機及渦輪盤軸焊接接頭Fig.8 Inertia friction welding machine and turbine disk-shaft welding joint

5 大尺寸零件近凈成形粉末冶金技術(shù)

220 tf氫氧發(fā)動機氫泵葉輪的尺寸是國內(nèi)現(xiàn)有最大的氫氧渦輪泵的1.4倍，輪緣線速度高，渦輪排氣壓力和溫度也大幅提升，常規(guī)鑄造成型的復(fù)雜流道殼體無法滿足使用工況要求，因此采用粉末冶金+熱等靜壓致密化近凈成形工藝，開發(fā)出符合要求的鈦合金葉輪和高溫合金殼體。

5.1 鈦合金葉輪

如圖9所示，通過掃描結(jié)果證明近凈成型的粉末冶金葉輪滿足設(shè)計參數(shù)指標(biāo)要求，參加熱試驗證明鈦合金粉末冶金葉輪性能滿足設(shè)計和使用要求。

圖9 鈦合金葉輪Fig.9 Titanium alloy impeller

5.2 GH4169渦輪排氣殼體

如圖10所示，在實現(xiàn)了渦輪排氣殼體、預(yù)燃室彎頭三通、推力室燃?xì)忭斏w等復(fù)雜流道殼體GH4169粉末冶金技術(shù)的產(chǎn)品化，化學(xué)成分和力學(xué)性能滿足指標(biāo)要求，經(jīng)X射線、熒光檢查和表面質(zhì)量檢查未見缺陷，不存在GH4169材料常見的碳化物、δ相和Laves相，組織均勻，并參加了熱試車考核。

圖10 氧渦輪和氫渦輪排氣殼體Fig.10 Oxygen and hydrogen turbopump exhaust housing

6 大尺寸結(jié)構(gòu)的增材制造成形技術(shù)

6.1 空間結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化成形技術(shù)

補燃?xì)溲跬屏κ翌^部有四底三腔復(fù)雜噴嘴結(jié)構(gòu)，預(yù)燃室有變徑彎脖與多通結(jié)構(gòu)，氧主渦輪泵有雙吸泵殼體結(jié)構(gòu)，預(yù)壓渦輪泵中存在中空設(shè)計的復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)，閥門為實現(xiàn)緩開緩關(guān)和泄出等功能集成也存在多層套筒的復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)鑄造工藝難度大、成品率低，鍛件機加方案則難以實現(xiàn)，因此新型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化成型增材制造技術(shù)成為這些復(fù)雜組件結(jié)構(gòu)的理想方案。采用了基于熱應(yīng)力合理分布的“島型隨機掃描”法，緩解了大尺寸構(gòu)件的應(yīng)力累積現(xiàn)象，保證了大尺寸變截面彎管的成形質(zhì)量。

6.1.1 彎頭和多通

采用激光選區(qū)熔化成型增材制造工藝技術(shù)成形彎頭和多通，材料為GH4169，經(jīng)過液壓試驗和氣密試驗考核，滿足使用要求，如圖11所示。

圖11 彎頭、三通、四通及其組件Fig.11 Elbow， T-branch，four way connection and its components

6.1.2 噴嘴

采用激光選區(qū)熔化成型增材制造工藝技術(shù)制造發(fā)動機噴嘴，其力學(xué)性能、液壓和氣密試驗滿足要求，如圖12所示。

圖12 兩種噴嘴產(chǎn)品Fig.12 Two types of injection elements

6.1.3 殼體結(jié)構(gòu)

完成了15種閥門殼體及渦輪泵零件等的激光選區(qū)熔化成型，通過了各類液壓氣密試驗考核，多臺產(chǎn)品參加了熱試車，如圖13所示。

圖13 復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)的應(yīng)用Fig.13 Additive manufacturing technology for complex shell parts

6.2 回轉(zhuǎn)體高溫合金電弧增材成形

采用自主研制集成的電弧熔絲增材制造技術(shù)系統(tǒng)，如圖14所示，成形高溫合金用冷金屬過渡模式(CMT)，試驗用絲材為1.0 mm的高溫合金熔化極氣體保護(hù)焊絲。通過研究錐形殼體最佳成形策略和變截面結(jié)構(gòu)路徑規(guī)劃方法，獲得了高溫合金電弧增材制造內(nèi)部質(zhì)量、組織性能、成形精度等控制技術(shù)，進(jìn)行了擴散段等結(jié)構(gòu)的試制。

圖14 電弧增材制造系統(tǒng)及產(chǎn)品Fig.14 Products and system of wire+arc additive manufacturing

7 大尺寸殼類結(jié)構(gòu)精密鑄造技術(shù)

220 tf氫氧發(fā)動機有高溫合金和鈦合金精密鑄件。這些鑄件形狀復(fù)雜、壁厚相差懸殊，凝固過程中補縮困難，易產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷。針對高溫合金和鈦合金鑄件，開展了大尺寸復(fù)雜殼類結(jié)構(gòu)精密鑄造技術(shù)研究，獲得了大推力氫氧發(fā)動機鑄件高質(zhì)量成形、高尺寸精度控制、高表面質(zhì)量成形等技術(shù)，鑄件質(zhì)量達(dá)到GJB 2896A-2007規(guī)定的Ⅰ類 B級規(guī)定要求，尺寸精度要求達(dá)到GB 6414-1999規(guī)定的CT6級。

采用熔模精密鑄造技術(shù)，完成大推力氫氧發(fā)動機10多種高溫合金精密鑄件的成形，如圖15所示。

圖15 高溫合金精密鑄件Fig.15 Superalloy precision casting

采用石墨型/可溶型芯+離心澆鑄和熱等靜壓工藝技術(shù)，完成了多種鈦合金材料精密鑄件的成形，如泵進(jìn)出口殼體、級間殼體等，如圖16所示。

圖16 鈦合金合金精密鑄件Fig.16 Titanium alloy precision casting

8 大尺寸空間管路成形與連接技術(shù)

220 tf補燃?xì)溲醢l(fā)動機管路壓力相比于YF-77發(fā)動機大幅提高，管材厚度也有所提升。管路系統(tǒng)是運載火箭的生命線，為保證工作安全性，迫切要求實現(xiàn)便捷裝配的輕量化整體多彎管路構(gòu)件。

8.1 管件彎曲成形技術(shù)

研究管材彎曲成形過程中造成失穩(wěn)起皺、壁厚過度減薄甚至拉裂、截面扁化嚴(yán)重和表面劃傷等缺陷的內(nèi)部機理，優(yōu)化調(diào)節(jié)彎管過程中的芯軸直徑、芯軸前移量及角度回彈補償量等工藝參數(shù)，獲得了表面無裂紋、擠傷、超標(biāo)的壓痕和褶皺以及橢圓度、減薄量和空間形狀尺寸符合設(shè)計值的各種規(guī)格高溫合金管件。對小彎曲半徑管件，采用熱模壓工藝技術(shù)獲得了合格的管件產(chǎn)品，液壓試驗超過60 MPa，如圖17所示。

圖17 典型的彎管件和焊接接頭Fig.17 Typical pipe fittings and welding joint

8.2 導(dǎo)管焊接技術(shù)

通過開坡口的方式、采用小電流兩次焊的方式實現(xiàn)了GH4169高溫合金厚壁導(dǎo)管的焊接，得到了內(nèi)外成形良好的焊縫，X射線檢查滿足Ⅰ級焊接接頭標(biāo)準(zhǔn)要求，通過了液壓、氣密考核，焊縫性能得到母材強度90%以上。

8.3 管件的試驗考核

如圖18所示，進(jìn)行了5種GH4169高溫合金導(dǎo)管生產(chǎn)，零件裝配在發(fā)動機試驗裝置上，通過了氫渦輪泵與預(yù)燃室聯(lián)動試驗、氧渦輪泵與預(yù)燃室聯(lián)動試驗以及發(fā)動機半系統(tǒng)試驗的考核。

圖18 5種GH4169高溫合金導(dǎo)管Fig.18 Five kinds of GH4169 superalloy pipes

9 大尺寸高壓組件精密裝配技術(shù)

220 tf補燃?xì)溲醢l(fā)動機結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量參數(shù)是國內(nèi)現(xiàn)役氫氧發(fā)動機的幾倍，組件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度大幅增加，裝配精度要求也大幅提高。現(xiàn)有氫氧發(fā)動機的手工裝配模式已不適應(yīng)220 tf發(fā)動機的總裝和組件裝配的需要，因此，將自動化裝配、數(shù)字化裝配及自動測量與定位等先進(jìn)技術(shù)引入發(fā)動機裝配中，探索大尺寸高壓復(fù)雜組件的精密裝配。

9.1 渦輪泵精密裝配技術(shù)

220 tf補燃循環(huán)氫氧發(fā)動機結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜、尺寸質(zhì)量巨大、裝配要求極高的渦輪泵組件，應(yīng)用先進(jìn)的液壓助力設(shè)備、輔助吊裝工藝和數(shù)字化裝配系統(tǒng)，解決了大推力渦輪泵的裝配工藝，完成了在技術(shù)上具有代表性的氫、氧主渦輪泵裝配，如圖19所示。

圖19 渦輪泵數(shù)字化精密裝配技術(shù)Fig.19 Digital precision assembly technology for turbopump

9.2 發(fā)動機精密裝配技術(shù)

針對發(fā)動機整機，通過數(shù)字化模擬裝配，有效預(yù)示了實際裝配中可能遇到的安裝順序、裝配干涉、人機干擾、操作空間不佳等問題，指導(dǎo)各類裝配工裝設(shè)計，優(yōu)化了裝配工藝；與此同時開展了三維掃描測量、自動力矩加載、助力機械臂輔助裝配等技術(shù)在220 tf級發(fā)動機應(yīng)用的預(yù)先研究工作；2021年7月完成了首臺220 tf級發(fā)動機工程樣機的裝配，如圖20所示。

圖20 220 tf發(fā)動機精密裝配技術(shù)Fig.20 Precision assembly technology for 220 tf engine

10 結(jié)語

通過工藝技術(shù)研究攻關(guān)，獲得了大尺寸推力室身部內(nèi)壁成形、大尺寸身部內(nèi)外壁連接、大尺寸再生冷卻噴管制造、高強度渦輪盤制造、大尺寸零件近凈成形粉末冶金、大尺寸結(jié)構(gòu)的增材制造成形、大尺寸殼類結(jié)構(gòu)精密鑄造、大尺寸空間管路成形與連接及大尺寸高壓組件精密裝配等工藝技術(shù)，研制的220 tf補燃?xì)溲醢l(fā)動機推力室、預(yù)燃室、渦輪泵、閥門等組合件參加了相關(guān)試驗，完成了首臺220 tf級補燃?xì)溲醢l(fā)動機工程樣機的制造，為我國大推力運載火箭的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。