祁俊峰，季禹曈，張?zhí)祚Y，陳 材，鞏維艷

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190)

衛(wèi)星、飛船等航天器常采用多分支支承結(jié)構(gòu)作為次承力結(jié)構(gòu)，用于特定布局條件下儀器設(shè)備的安裝。航天器多分支鈦合金支承結(jié)構(gòu)具有薄壁輕量化、外形復(fù)雜、種類多樣、尺寸穩(wěn)定性要求高和安裝面尺寸精度要求高等特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的鑄造和機(jī)械加工的方式制造存在如下問(wèn)題：鈦合金鑄造精度有限(精度依靠留余量和機(jī)械加工保證)，后續(xù)加工量較大，并且存在無(wú)法切削加工區(qū)域，導(dǎo)致產(chǎn)品減重困難[1]；復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件質(zhì)量不易控制，零件的廢品率(次品率)較高；傳統(tǒng)的鑄造工藝流程繁瑣冗長(zhǎng)，制造周期長(zhǎng)達(dá)4～6個(gè)月，嚴(yán)重制約了航天器結(jié)構(gòu)的短流程制造需求。

選區(qū)激光熔化技術(shù)依靠材料的逐點(diǎn)累加成型，不受模具的可制造性及零件空間可達(dá)性的制約，可以實(shí)現(xiàn)薄壁、細(xì)微結(jié)構(gòu)件的高精度制造，且后續(xù)機(jī)械加工量較小。得益于激光快速加熱和冷卻的特點(diǎn)，得到結(jié)構(gòu)的顯微組織細(xì)小、致密，有利于提高結(jié)構(gòu)性能，適合于航天器多品種、小批量和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造[2-3]。

本文以航天器多分支鈦合金支承結(jié)構(gòu)(見圖1)為例，研究了基于選區(qū)激光熔化(SLM)工藝的典型結(jié)構(gòu)特征分解，并開展了特征結(jié)構(gòu)SLM工藝試驗(yàn)。在綜合結(jié)構(gòu)特征工藝基礎(chǔ)上，得出了航天器多分支鈦合金整體結(jié)構(gòu)SLM工藝方案，并進(jìn)行了成型工藝驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及工藝參數(shù)

試驗(yàn)材料采用TC4鈦合金粉末，其化學(xué)成分及物理特性分別見表1和表2。

表2 TC4鈦合金粉末的物理特性

試驗(yàn)設(shè)備為EOS公司的M290選區(qū)激光熔化成型機(jī)，采用的關(guān)鍵工藝參數(shù)見表3，激光掃描策略為光柵掃描式。

表3 關(guān)鍵工藝參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)特征分解與成型工藝

2.1 多分支支承結(jié)構(gòu)特征分解

根據(jù)航天器多分支支承結(jié)構(gòu)特征以及技術(shù)要求，可以將其分為由圓錐、圓柱面構(gòu)成的支承筒結(jié)構(gòu)和由薄壁板殼組成的底部支架結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步按單個(gè)特征細(xì)化，則可將構(gòu)件分解為六部分：支承筒將大圓結(jié)構(gòu)進(jìn)行左右水平對(duì)稱劃分為左支承筒、右支承筒兩部分；底部支架根據(jù)對(duì)稱結(jié)構(gòu)分解為左側(cè)板、右側(cè)板、隔板和折彎板四部分(見圖2)。其中，由于左右支承筒和左右側(cè)板具有對(duì)稱性，可以只進(jìn)行1次設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

圖2 特征結(jié)構(gòu)分解示意圖

2.2 面向特征結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)

2.2.1 擺放方式

對(duì)打印件擺放方式的設(shè)計(jì)原則是：首先應(yīng)減小斜向懸空結(jié)構(gòu)相對(duì)豎直方向的角度，以利用粉層自支撐效果，減少內(nèi)部支撐設(shè)計(jì)，降低后處理難度；其次，避免有精度要求且難以后處理加工的面成為懸垂面，以保證工作面精度，盡量減少其他懸垂結(jié)構(gòu)，減少對(duì)額外支撐設(shè)計(jì)的需求；最后，減小豎直方向上的空腔尺寸，以減少內(nèi)部支撐設(shè)計(jì)，避免難去除粉末堆積，降低后處理難度[4-6]。根據(jù)以上原則，針對(duì)支承筒特征，應(yīng)確保錐面特征滿足打印角度要求，且筒體端面在加支撐條件下滿足傾斜角度要求；折彎板特征主要考慮整體結(jié)構(gòu)滿足成型角度要求；左、右側(cè)板特征，主要考慮減少懸垂面。最終確定各個(gè)特征結(jié)構(gòu)部件在設(shè)備中的擺放方式如圖3所示。

圖3 特征結(jié)構(gòu)工藝驗(yàn)證件的擺放方式

2.2.2 支撐設(shè)計(jì)

支撐設(shè)計(jì)主要為無(wú)法避免的懸垂面提供豎直方向的反重力支撐，同時(shí)用于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，改變熱傳導(dǎo)方式，降低熱應(yīng)力。在進(jìn)行支撐加入設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)粉層無(wú)法形成有效自支撐的特殊部位(如懸垂部位)進(jìn)行豎直方向上的支撐加固，防止出現(xiàn)由自重、外界干涉(如刮刀等)引起的位置偏移；再對(duì)成型過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力變形的部位(如大面積薄壁、尖銳轉(zhuǎn)角和大長(zhǎng)徑比的細(xì)長(zhǎng)桿等)進(jìn)行側(cè)向加固和傳熱引導(dǎo)，以控制應(yīng)力變形。為降低后處理難度和制件成本，在保證成型的前提下，應(yīng)盡量減少支撐的引入。

經(jīng)過(guò)綜合考慮各特征結(jié)構(gòu)，對(duì)已分解的驗(yàn)證件的支撐設(shè)計(jì)如圖4所示。其中，支承筒為復(fù)雜異形薄壁結(jié)構(gòu)件，支承筒上的大圓結(jié)構(gòu)因?yàn)橐c其他部件進(jìn)行配合，對(duì)精度和圓度要求較高，為抑制成型時(shí)的變形，在較大圓形薄壁的內(nèi)壁周圍添加加固結(jié)構(gòu)；隔板為平板結(jié)構(gòu)，無(wú)相應(yīng)加固筋板，需在零件一側(cè)添加加固結(jié)構(gòu)，防止平板打印中發(fā)生應(yīng)力變形；側(cè)板中間部位為與隔板的連接處，此處的懸空結(jié)構(gòu)如不經(jīng)過(guò)處理，會(huì)出現(xiàn)粉層無(wú)法支撐結(jié)構(gòu)成型的情況，因此需要加入傾斜支撐，輔助結(jié)構(gòu)的水平成型；側(cè)壁為平板結(jié)構(gòu)，無(wú)相應(yīng)筋板類結(jié)構(gòu)加固，在側(cè)壁的外側(cè)添加加固結(jié)構(gòu)，防止應(yīng)力變形；靠近基材的連接環(huán)需要與其他部件進(jìn)行配合，對(duì)圓度有較高要求，因此在添加加固結(jié)構(gòu)，防止零件變形的同時(shí)，保證此處圓弧的成型精度；折彎板為薄壁折彎板狀結(jié)構(gòu)，為防止變形，在2處折彎板添加加固結(jié)構(gòu)，所采用的支撐結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 各特征結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件支撐設(shè)計(jì)(箭頭處為支撐位置)

圖5 支撐結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 特征結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

激光成型后的特征結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件三維掃描結(jié)果如圖6所示，側(cè)板中深色區(qū)域?yàn)橹谓Y(jié)構(gòu)。通過(guò)三維掃描結(jié)果，可以看到試驗(yàn)件與三維模型相比的尺寸偏差均<2 mm，小于預(yù)留機(jī)械加工余量(3 mm)，這說(shuō)明支撐結(jié)構(gòu)有力地控制了零件的變形。

圖6 特征結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件三維掃描結(jié)果

3 多分支支承結(jié)構(gòu)整體成型工藝

綜合上述各特征結(jié)構(gòu)的擺放和支撐設(shè)計(jì)方案，給出支承筒和底部支架的工藝設(shè)計(jì)方案(見圖7)。以支承筒部分端面傾斜一定角度為底部，確保錐面特征全尺寸滿足打印角度要求。支承筒內(nèi)部增加網(wǎng)格支撐，以改善散熱條件，減小熱變形。底部支架部分主要考慮整體結(jié)構(gòu)滿足無(wú)支撐成型角度要求。薄壁側(cè)板部分增加網(wǎng)格支撐，用于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，控制變形。通過(guò)擺放設(shè)計(jì)，確保支承筒和底部支架的各特征結(jié)構(gòu)均可自由成型，同時(shí)利用支撐設(shè)計(jì)，加固支承筒的連接環(huán)(大圓薄壁)和底部支架的豎直薄壁部位，以保證成型精度。

激光選區(qū)熔化成型的航天器多分支鈦合金支承結(jié)構(gòu)如圖8所示。經(jīng)X射線和表面熒光滲透檢測(cè)，結(jié)構(gòu)內(nèi)外部質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。隨爐樣件力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

圖8 整體成型結(jié)構(gòu)

取樣方向抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%斷面收縮率/%H917869176291786817629158661764S925879165691686915569188711556

通過(guò)激光熔覆連接后的結(jié)構(gòu)工藝驗(yàn)證件的三維掃描結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論模型相比，各重要配合面和工作面尺寸偏差均<2 mm，小于預(yù)留機(jī)械加工余量(3 mm)，可通過(guò)后處理達(dá)到應(yīng)用要求。3個(gè)設(shè)備支承筒的安裝端面、零件底面和所有安裝孔，采用三坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)際角度誤差為-0.009°～+0.019°。

圖9 整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件三維掃描結(jié)果

采用粗糙度儀對(duì)星敏鈦合金構(gòu)件非加工面的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果見表5。非機(jī)械加工平均表面粗糙度維持在Ra2.0～Ra5.0 μm，其中測(cè)量的最小值為Ra2.02 μm，最大值為Ra6.15 μm。

表5 非機(jī)械加工平均表面粗糙度

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)在對(duì)具有多分支結(jié)構(gòu)特征的鈦合金支承結(jié)構(gòu)件進(jìn)行SLM工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先將整體結(jié)構(gòu)分解為多個(gè)特征結(jié)構(gòu)并分別進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，再整合各結(jié)構(gòu)特征的工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)，以節(jié)省單次驗(yàn)證試驗(yàn)的時(shí)間和成本，縮短結(jié)構(gòu)件的研發(fā)周期。

2)對(duì)于大平板特征結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行SLM的工藝設(shè)計(jì)時(shí)的主要思路為減小平面結(jié)構(gòu)在水平面上的投影面積(即傾斜擺放)，并利用支撐加固整體結(jié)構(gòu)，防止變形開裂。

3)對(duì)于圓柱和圓錐特征結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行SLM的工藝設(shè)計(jì)時(shí)的主要思路為減小圓柱面和圓錐面在水平面上的投影面積，并利用支撐進(jìn)行加固和熱傳導(dǎo)，減小熱變形。

[1] 齊海波, 李婷, 馬婧. 金屬增材制造與鑄造技術(shù)[C]//第十七屆河北省鑄造年會(huì)論文集. 石家莊：河北省機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)委員會(huì)，河北省鑄造行業(yè)協(xié)會(huì)，2014.

[2] 楊繼全, 戴寧, 侯麗雅. 三維打印技術(shù)與制造[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.

[3] Yang L, Harrysson O, Cormier D, et al. Additive manufacturing of metal cellular structures design and fabrication[J]. The Minerals, Metals & Materials Society, 2015, 67: 608-615.

[4] 盧建斌，楊永強(qiáng)，王迪，等. 選區(qū)激光熔化成型懸垂面質(zhì)量的影響因素分析[J]. 激光技術(shù), 2011, 35(2): 148-151.

[5] 劉杰, 楊永強(qiáng), 王迪, 等. 選區(qū)激光熔化成型懸垂面結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 中國(guó)激光, 2012(5):88-94.

[6] Cheng B, Shrestha S, Chou K. Stress and deformation evaluations of scanning strategy effect in selective laser melting[J]. Additive Manufacturing, 2016, 12: 240-251.