鄭 偉，李護(hù)林，陳新紅

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

0 引言

隨著液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的研制與生產(chǎn)帶來(lái)挑戰(zhàn)，急需開(kāi)展新工藝、新技術(shù)的研究來(lái)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的制造需求。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)以及機(jī)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(yùn)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(jìn)制造技術(shù)之一[1]，為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜精密構(gòu)件的快速成形帶來(lái)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(yùn)動(dòng)方式，通過(guò)激光加熱產(chǎn)生相變、燒結(jié)、熔化等過(guò)程，逐層制造并疊加“生長(zhǎng)”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(gè)制造過(guò)程無(wú)加工廢料、無(wú)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(duì)SLM和LMD技術(shù)的性能參數(shù)進(jìn)行了對(duì)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(jìn)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(jìn)行機(jī)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(duì)比Tab.1 Comparison of performance parameters of SLM and LMD technologies

2 國(guó)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(guó)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(lái)的。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)防等領(lǐng)域受到高度重視。美國(guó)政府于2012年啟動(dòng)和聯(lián)合投資了國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究院（NAMII）、BAE（英國(guó)國(guó)防與軍工武器生產(chǎn)商）、Pratt&Whitely Rocketdyne（美國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司）、GE（美國(guó)通用電氣）、Rolls-Royce（英國(guó)航空航天）等一大批航天、航空及武器制造企業(yè)。如美國(guó)著名火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司Pratt&Whitely Rocketdyne以SLM技術(shù)為基礎(chǔ)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及飛行器中的關(guān)鍵構(gòu)件制造技術(shù)全面重新評(píng)估。美國(guó)通用電氣公司（GE）和英國(guó)Rolls-Royce公司用該技術(shù)完成了高溫合金整體渦輪盤、發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó) EOS、英國(guó) Renishaw、法國(guó) Phenix及Irepa laser。其中，德國(guó)EOS公司擁有很大的市場(chǎng)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(guó)內(nèi)開(kāi)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(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)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(kāi)了大量的研究工作。華中科技大學(xué)針對(duì)航空航天領(lǐng)域的需求，自主研制出了SLM設(shè)備樣機(jī)，并對(duì)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(jìn)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(dá)±50 μm，許多材料構(gòu)件的機(jī)械性能都優(yōu)于或與同成分鍛件相當(dāng)。西北工業(yè)大學(xué)在激光選區(qū)熔化成形機(jī)理、成形工藝、材料制備、后期處理、性能調(diào)控、裝備開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了大量研究，其研制的不銹鋼、鈦合金等零件已在我國(guó)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(jì)70年代末期的激光多層熔覆研究[1]。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，國(guó)外激光熔覆沉積技術(shù)典型代表包括德國(guó) Trumpf和美國(guó)POM公司 DMD505、美國(guó) Huffman公司 HP-205、美國(guó) Optomec公司 Lens850等。國(guó)外利用這些商業(yè)化的技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)取得了實(shí)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(xué)性能達(dá)到鍛件的水平。該技術(shù)相關(guān)成果已在武裝直升機(jī)、AIM導(dǎo)彈、波音7X7客機(jī)、F/A-18E/F、F22戰(zhàn)機(jī)等方面均有實(shí)際應(yīng)用，已成為美國(guó)航空航天國(guó)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(guó)專門成立了國(guó)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(guó)內(nèi)方面，自“十五”開(kāi)始，國(guó)內(nèi)激光熔覆沉積技術(shù)獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等重點(diǎn)項(xiàng)目支持。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京有色金屬研究總院等國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)先后開(kāi)展激光快速成型與修復(fù)技術(shù)及其設(shè)備開(kāi)發(fā)研制，并取得一定成果[5-7]。北京航空航天大學(xué)在飛機(jī)大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件方面取得突破性進(jìn)展，采用激光快速成型技術(shù)研制出某型號(hào)飛機(jī)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(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制造出了國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919中央翼緣條。

3 激光快速成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

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(guò)程中存在的應(yīng)力變形、內(nèi)部缺陷等瓶頸問(wèn)題并未得到徹底的解決。目前國(guó)內(nèi)外只是針對(duì)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(jìn)行工藝試驗(yàn)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(lái)研究的一個(gè)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)?；a(chǎn)，設(shè)備的技術(shù)成熟度有待進(jìn)一步完善。為此，開(kāi)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(shí)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(jī)械加工才可滿足使用要求。開(kāi)發(fā)新一代激光快速成形設(shè)備，使之同時(shí)具有較高的成形效率及成形精度，可以實(shí)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 成形材料

目前，激光快速成形技術(shù)僅針對(duì)常用的不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金等少數(shù)幾種材料進(jìn)行了研究。遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)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(dòng)機(jī)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航天發(fā)展的基礎(chǔ)。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)具有如下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1）材料多樣性

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中涉及的材料種類廣，數(shù)量多。如我國(guó)新一代液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)中，材料多達(dá)上百種，主要為高強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)離心輪葉輪圓周上均布多個(gè)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(zhǎng)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(dòng)機(jī)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(guò)程復(fù)雜，影響因素眾多，工藝穩(wěn)定性差。如：某型號(hào)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(zhǎng)，生產(chǎn)1個(gè)鑄件需要38道工序，生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月。某型號(hào)推力室采用再生冷卻結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)過(guò)程涉及擴(kuò)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(diǎn)[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(guò)程無(wú)需工裝夾具或模具的支持，具有成形靈活性以及節(jié)約時(shí)間和成本等優(yōu)勢(shì)；

2）易于實(shí)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(guó)防及生物醫(yī)學(xué)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(yàn)證和型號(hào)研制；

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

5）設(shè)計(jì)工藝一體化，激光選區(qū)熔化技術(shù)是集設(shè)計(jì)和工藝高度集成、一體化的技術(shù)，可按使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)產(chǎn)品制造上具有獨(dú)特應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

5 激光快速成形技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用前景

隨著對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要求的不斷提高，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)向高推質(zhì)比、輕量化和高可靠性的方向發(fā)展。越來(lái)越多零組件采用鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)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(dòng)機(jī)的研制與生產(chǎn)帶來(lái)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(jì)到零件制造周期長(zhǎng)等問(wèn)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(wú)法用現(xiàn)有的工藝方法完成加工，只有通過(guò)修改設(shè)計(jì)方案以適應(yīng)制造工藝，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(wú)法采用傳統(tǒng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)性能，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiàn)圖2）。該類產(chǎn)品葉片型面復(fù)雜，流道狹窄，機(jī)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(qiáng)度低，且葉形尺寸精度不滿足設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題；電火花成形的產(chǎn)品葉形精度雖可滿足設(shè)計(jì)要求，但加工周期長(zhǎng)、效率低、成本高，如完成一個(gè)渦輪盤葉片電火花加工需要8套電極10個(gè)工步。采用激光快速成形技術(shù)可避免上述問(wèn)題的發(fā)生，適用于該類產(chǎn)品的成形。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)上存在大量的薄壁異型件，如空間扭曲彎管、混流器等（見(jiàn)圖3）。該類產(chǎn)品空間造型復(fù)雜，且壁厚較薄，無(wú)法采用機(jī)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(cè)等方面的困難，且產(chǎn)品合格率低，精度差。如某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)上有大量的框架類零件，這類零件通常作為發(fā)動(dòng)機(jī)中主承力件，主要采用鍛件機(jī)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(shí)，去除的余量巨大，材料利用率極低，經(jīng)濟(jì)效益差。如，某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)常平環(huán)，零件輪廓尺寸為624 mm×624mm（見(jiàn)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(shí)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(dá)鍛件水平，適合該類產(chǎn)品的成形。

圖4 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)械加工、電鍍、擴(kuò)散釬焊、液氣壓等多種工藝方法，裝配過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。此外，該方案對(duì)釬焊內(nèi)外壁貼合間隙要求嚴(yán)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(jì)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(dòng)機(jī)可靠性。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)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(yǔ)

激光快速成形技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)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(shí)現(xiàn)其在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的推廣應(yīng)用，對(duì)提升我國(guó)航天液體動(dòng)力系統(tǒng)的制造工藝技術(shù)水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

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