南航《AM》顶刊丨一种基于颗粒的搅拌摩擦增材制造技术

　液体火箭发动机是运载火箭发展的重点和核心，其先进程度直接决定运载火箭的先进性，先进的液体动力技术设计与制造是航天强国的重要标志之一。液体动力产品在工作环境、结构、制造技术具有以下特点：（1）工作环境恶劣，工作在大应力、高低温、强烈振动、剧烈冲刷、腐蚀环境和真空及辐射环境等恶劣工况下；（2）设计结构复杂，大量采用具有复杂型面和空间曲面的精密结构，具有薄壁、多功能、整体化和轻质化等特点；（3）工艺流程长，工艺技术种类多、制造流程长且工序复杂，产品生产周期长，质量隐患多。为实现设计功能性要求，液体动力产品普遍使用各种特殊难加工材料，核心组件结构复杂，现有工艺保障能力差，特别是部分复杂精密构件甚至无法采用现有工艺方法完成加工，影响液体动力整体性能。 　　金属增材制造技术是采用离散堆积原理分层制造叠加，其有别于铸锻、机加“等减材”原理，采用全新“数字化”增材加工理念，具有优势：（1）组织细小、均匀、无缺陷，性能优异，金属增材制造具有点线面体数字化制造的特点，使其凝固行为为小熔池凝固，成分均匀，无宏观偏析；同时固液界面平滑，补缩充分，材质致密，无疏松、冷隔等缺陷；一般采用激光/电子束等高能热源，凝固速度快，晶粒大小达到微米级，是锻件的1/10、铸件的1/100，机械性能优异，适应液体动力高压、强振动等恶劣工况；（2）降维制造，将三维零件制造转化成二维切片成形，显著降低了复杂零件的成形难度，因此特别适合液体动力设计结构复杂的精密产品成形；（3）整体成形，可将多个复杂零件集成为1个，消除了分体制造所带来的大量焊缝，有效提高了质量可靠性；同时简化工艺流程，缩短制造周期，降低生产成本。整个制造过程实现无加工废料、无工装夹具和模具直接完成零件的精密成形。金属增材制造技术非常契合航天液体火箭发动机生产研制对设计灵活性、加工柔性及低成本、高可靠性、短周期快速研制的需求，已经成为各型液体火箭发动机研制生产的重要技术手段。　　本文综合分析国内外航天增材制造技术应用最新情况及取得的效果，结合液体火箭发动机工程应用实例分析增材制造工程应用发展的4个阶段，分析目前液体动力增材制造技术工程化应用推进过程存在的问题，指出推进增材制造技术的产业化应用是解决目前存在问题的有效方案。1 国内外航天增材制造技术应用情况分析　　目前，美、欧等西方发达国家高度重视增材制造技术在航天领域的研究和应用，并已进入工程化应用阶段，80%以上集中在液体动力领域。美国NASA、宇航局格林研究中心、普惠•洛克达因公司、SpaceX，英国的Reaction Engine公司、3T RPD公司以及瑞士的RUAG Space公司，将增材制造技术用于火箭发动机以及卫星部件的制造，在J-2X、RS-25、AR-1、BE-4、Raptor等多个发动机新型号喷注器、推力室、涡轮泵等关重件研制生产中得到应用，甚至尝试进行发动机整机、整箭增材制造。美国NASA采用激光选区熔化技术制造的RS-25发动涡轮泵研制成本减少50%，制造周期缩短了80%；Rocket Lab采用增材制造技术完成了月球快车发动机中的推力室、阀门壳体、涡轮泵、喷注器的制造，使得制造成本降低60%以上；SpaceX公司300吨级液氧甲烷Raptor发动机的推进剂阀门、涡轮泵和喷注器组件均采用增材制造技术成形，占发动机总重的30%，并在猎鹰9号火箭上完成了飞行应用；而最近，Relativity Space公司采用增材制造技术成功地将Terran 1火箭上的零件数量减少到约1000个，9台Aeon 1液氧甲烷发动机全部采用增材制造技术完成制造，大幅降低成本。　　国内航天推进技术研究院、中国运载火箭技术研究院、中国空间技术研究院、上海航天技术研究院、中国航天电子技术研究院等单位是航天增材制造技术研究和应用的重点单位，利用已有研究成果，加强在重大、关键和共性制造技术应用研究与工程化开发方面的技术储备，在国家重大科技专项实施中发挥作用，为先进工业技术创新能力方面提升做出突出贡献，保障了相关型号的研制进度。西安航天发动机有限公司某型号发动机隔板加强肋、不锈钢整流栅等产品实现批产并分别成功参与神舟十二号载人发射、天舟二号货运飞船、北斗双星发射等为代表的多次发射试验任务；增材制造成形的法兰框用于天问一号祝融号火星车火面软着陆，成为国内首个登陆火星的增材制造功能结构一体化产品。首都航天机械公司采用增材制造完成了长征五号火箭钛合金捆绑支座的批生产，并于2020年底，成立增材制造公司推进增材制造技术在运载火箭上的深度应用。北京卫星制造厂在多型号卫星上实现了铝合金蒙皮点阵式结构、钛合金激光选区熔化及激光熔化沉积产品的应用；自主研发的“连续纤维增强复合材料太空增材制造装备”，实现了我国首次太空增材制造空间试验，也是国际上首次在太空中开展连续纤维增强复合材料增材制造试验，对空间站在轨长期有人照料的运行与维护和空间站在轨扩建提供了技术支持。上海航天精密机械研究所完成了卫星推进系统球形贮气瓶、某型号卫星1.2L板式贮箱、空间站用测控天线支架、卫星用飞轮支架以及空间站维修工具筒段、工具后筒段、驱动器盖、手柄后段、左/右手柄等套装工具增材制造成形。详情如表1、表2所示。表1 国内航天增材制造典型产品应用情况 表2 国外增材制造典型产品应用情况 　　系列研究成果推动了增材制造技术在航天各领域的应用，实现了设计方案的快速实现和验证，保证了各重点型号装备的研制进度。2 增材制造技术在我国液体火箭发动机领域的工程应用及效果　　我国航天单位纷纷针对火箭发动机各部件的增材制造技术进行了一系列的应用研究，并取得显著的应用效果。应用型号产品涉及推力室、涡轮泵、阀门和总装直属件，并经历了由替代传统工艺、集成制造、轻量一体化和功能结构集成设计/制造一体化转变，取得显著效果，目前正全力实现发动机整机设计与制造方向发展。2.1 替代传统工艺　　发动机研制生产过程中多数复杂构件可以通过锻造、机械加工、铸造、焊接等传统制造技术制备出高质量、高可靠性产品，但面对复杂异形构件如薄壁夹层、异形弯管、多齿尖角等结构，其复杂程度超出了传统制造技术的保障能力，采用传统制造工艺技术研制生产时往往呈现出生产周期长、成本高、合格率低、质量可靠性差等问题，甚至为迁就制造牺牲构件的最优设计方案。增材制造技术对此提供了有效的解决方案，与传统工艺技术形成有效补充。　　某型涡轮排气管是发动机涡轮泵的主要零组件之一，由于涡轮排气管工作型面为S形大范围变壁厚薄壁自由曲面，传统机械加工技术难以制备，只能采用熔模精密铸造进行生产。涡轮排气管S形自由曲面壁厚最薄部位为2.2mm，浇注时已超出合金的最大充型能力，为迁就制造，曲面壁厚由最优变壁厚设计方案变更为3mm等壁厚，使得涡轮排气管的质量增加。质量监控数据统计显示，15%以上的涡轮排气管铸件因为浇注不足，在目视检查时直接报废；50%以上铸件在X射线检测时，因为S形自由曲面分散疏松缺陷超标而报废，影响了发动机的生产和交付。通过开展排气管的增材制造工艺攻关研究，对排气管进行替代成形，产品合格率由5%提升至98%，且产品成形精度较原铸造方案，由GB/T6414—2017中的CT6级提升至CT4级，型号产品批生产安全得到显著保障，目前已实现产品的飞行应用超过15次。如图1所示。 图1 某型发动机涡轮排气管增材制造替代生产　　两器出口管是某型发动机副系统的关键零件，由于管径小且管壁薄，特别是转角处呈现大曲率变化，难以采用导管弯曲、机械加工以及电火花等方法成形，目前通过预置陶瓷型芯的方法铸造成形。由于细、长的大曲率变化高精度陶芯很难制备和定位，使得铸件几何尺寸难以保证，管壁厚不均，若陶芯在浇注时断裂，使得铸件漏钢报废；铸件为薄壁结构，为保证充型，需提高浇注温度，易产生分散疏松缺陷，影响致密性，打压试验泄漏现象时有发生；铸件出现缺陷后，由于小管径、大曲率结构限制，无法修复而报废，投产合格率<10%。采用增材制造实现了两器出口管的增材制造替代成形，并在“长征五号 遥1”上，国内率先实现增材产品在航天领域的应用。如图2所示。 图2 某型发动机两器出口管增材制造替代生产2.2 集成制造　　液体火箭发动机结构复杂，零件数量多，材料种类多，大量采用钎焊/熔焊等固定连接方式，据统计，目前我国长征系列火箭采用的火箭发动机有2.97万个零部组件，近千条各种焊缝，100多种材料，即使结构较为简单的挤压式姿控发动机也有近千个零部组件。如此众多的零件和焊缝数量无疑降低了发动机的可靠性。采用增材制造技术可以实现零件整体成形，有效减少零件和焊缝数量及材料种类，提高发动机的可靠性。　　喷注器是典型的集成结构，工作时要承受高温高压、高流速冲击等一系列恶劣工况，需要满足复杂流路的尺寸精度及表面质量等设计要求，也是发动机制造难度最大的零部件之一。喷注器的制造水平直接影响着发动机推进剂的雾化、混合及燃烧稳定性。传统方式制造的喷注器由数十乃至几百个独立部件组合而成，然后通过机械连接或焊接等方式集成在一起，制造成本极高和生产周期超长。西安航天发动机有限公司进行了国内首次液氧/甲烷发动机增材制造喷注器研究，随后又攻克了液氧/煤油发动机的离心式、直流式、同轴剪切式喷注器的SLM技术成形，并进行了多次热试车，目前已用于发动机的中试生产，对某型号喷注器采用增材制造成形后，零件数量由原来的142个减少至2个，制造周期缩短70%，成本下降80%，国内首次将增材制造喷注器应用于液体火箭发动机低成本研制生产。如图3所示。 图3 某型号喷注器增材集成制造研制路线　　喷注器壳体作为某针栓式发动机核心构件，是燃料与氧化剂的主要通道，其成形质量和精度直接影响发动机的雾化燃烧和冷却效果，进而影响发动机的整体性能。喷注器壳体材料牌号为TC4钛合金，结构设计上为典型的薄壁夹层结构，身部分布有封闭的88条随形冷却通道，头部包含24个分流孔，受传统加工制造技术的局限，只能采用“铸造/锻造+机械加工+焊接”的分体组合制造（图4）。但该方法存在工序多、工装及设备投入大、生产周期长、技术难度大、性能稳定性差、可靠性难以保证等问题。尤其是喷注器壳体中的10余项零件采用焊接方式连接，焊缝数量多达20余条，在高温高压以及大振动环境中，焊缝部位易出现开裂，轻则导致喷注器变形，影响随后的冷却射流，重则直接引起内壁烧蚀，甚至发动机爆炸。 图4 针栓喷注器壳体传统制造工艺流程 （a） 研制工艺流程 （b） 试车完成后的发动机整机图5 针栓式喷注器增材集成制造2.3 轻量化制造　　传统的结构设计方法是基于经验的设计方法，结构的性能往往依赖于设计人员的工程经验，结构的设计方案在经过不断的试验和修改后往往也能达到一定指标，然而无法得到“最优”的结构，设计方案还有足够的改进空间。拓扑优化是以提高结构力学性能或减轻结构质量为目标的设计方法，在保证约束的前提下，选择适当的结构形式，设计合理的结构尺寸在给定的空间结构中产生优化的形状和材料分布，确定系统的最佳几何形状，能够设计出性能优越的结构，并具备轻量化的特点，然而这样的结构往往较为复杂，使用传统的制造技术几乎无法实现，而增材制造技术完美融合，即可体现增材制造在整体化、复杂结构制造上的优势，又能通过优化设计实现性能和轻量化双重提升。　　在某常平环采用拓扑优化并使用增材制造成形技术制造后，减重40%，加工周期缩短70%，某常平梁采用增材制造替代原有的“锻造+焊接”方案，结构强度由1.2GPa提升到1.65GPa，并大大提升可靠性，并进行热试车，如图6所示。 （a） 传统锻造+焊接方案常平环 （b） 增材制造轻量化减重常平环 （c） 对拓扑优化的常平环进行静力试验 （d） 常平环应变随载荷变化曲线图6 常平环轻量化制造　　空间站核心舱扶手/把手，是空间站宇航员进出舱门的重要工具，质量为202g的实心结构，起初采用锻铝进行试制。根据扶手/把手的承力分布特点，结合增材制造技术进行设计和制造，产品质量为46g，天和核心舱共装配扶手/把手12件，目前产品已经伴随天和核心舱的发射，进入太空，如图7所示。 图7 天和空间站核心舱扶手/把手　　某型液氧主阀壳体是控制液氧进入发生器的关键部件，为保证高的承压能力和导流效果，呈现多层壁、复杂结构，如图8所示。传统制造工艺液氧主阀壳体由中间壳体、导流罩、中轴、排放管嘴等零件分体加工+熔焊、钎焊连接的方式成形。基于增材制造技术的液氧主阀壳体整体化设计，通过对强度、液流稳定性等众多条件综合考虑，构建出液氧主阀壳体轻量整体化结构，如图9所示。目前产品已经制造出，较原成形方案，产品由85kg减重到集成减重方案的70kg，壳体外壁含有大量的减重结构，采用增材制造技术大幅度简化液氧主阀壳体成形工艺并提高产品可靠性。 （a） 传统制造工艺方案 （b） 传统制造工艺流程图8 液氧主阀壳体结构及传统制造方案 图9 增材制造液氧主阀壳体结构2.4 系统集成及整机制造　　增材制造技术具有的优势给发动机关键构件、系统甚至整机的设计与制造带来深刻变革。某型可重复使用发动机涡轮泵组件，主要零件是16种产品，13种产品采用增材制造成形，增材产品质量占整泵85%，轴向间距较传统工艺减少40%；某型发动机根据增材制造技术进行系统集成优化设计后，核心部件由25个集成设计为3个，分别为喷注器壳体、身部和头部，6个月内完成了发动机的生产/试验/试车，实现了近百个零件组成的大组件集成整体制造，消除了200余条焊缝，研制周期缩短80%，刷新了我国大推力挤压式发动机设计-研制-试验速度。 （a） 可重复使用发动机涡轮泵组件整体制造 （b） 我国增材制造成形的某型大推力发动机 （c） 增材制造成形的发动机正在进行设车考核图10 采用增材制造实现涡轮泵系统集成制造和整体制造发动机3 增材制造技术在我国液体火箭发动机领域的工程应用的关键问题　　经过近几年发展，我国液体火箭发动机领域已实现增材制造技术研制能力的快速提升和工程化应用的多点推进，打通了增材制造工程应用批量化、工业化关键环节，但为支撑我国航天强国建设，航天增材制造的工程应用及发展依然存在关键问题亟待解决。3.1 全流程增材制造技术研究有待加强　　经过近几年不断发展，我国已经建成了较为完整的全流程增材制造体系，但受限于技术研究发展时间不足，在设计、材料和工艺等方面研究还不够深入以支撑目前增材制造技术的迅速工程应用发展需求：（1）缺乏增材制造专业设计手册，增材制造技术虽已初步得到设计人员认可，并成为航天液体动力制造的一个重要手段，但增材制造技术研究时间较短，尚未形成增材制造专业设计手册；（2）材料特性研究不足、材料体系还不丰富，当前已开展研究的有限十几种材料已不满足苛刻多工况对材料高性能多适应性的多品种需求；（3）增材制造成形及后处理工艺基础研究还需进一步夯实，在成形过程仿真模拟、成形过程停机续接、产品性能稳定性控制、大尺寸夹层构件粉料清理、支撑高效去除、复杂形面与内腔的光整处理等方面有待深入研究。3.2 增材制造生产现场自动化、信息化水平有待提升　　国内航天企业如西安航天发动机有限公司、首都航天机械有限公司已经建立起一定水平的增材制造生产基地。但是生产现场管控及产品质量保障方面缺乏数字化、智能化的先进管理手段，覆盖增材制造全过程的先进生产模式尚未形成，精益生产支撑条件不足：一是现有设备智能化程度不高，存在监测系统反馈信息少、工艺参数无法实时优化、智能诊断/处理成熟度较低等问题，产品质量必须借助后续无损检测手段进行确认；二是生产现场自动化水平低，生产过程中粉料筛分/烘干/转移、基材存取、产品周转等主要依靠人工作业，导致生产现场无法进行自动化布局，自动化程度低；三是生产现场信息化程度不高，MES系统虽已建成应用，但尚未实现将物资库存、物流信息、生产设备集中管控，无法准确实时获取原材料库存、设备负荷情况、生产过程中的关键问题等，难以为生产计划管理与指挥调度提供数据支撑。质量数据采集手段落后，成形过程质量数据由人手工记录，效率低，记录量极大且易出错。3.3 技术规范与标准体系建设跟不上工程应用发展　　标准体系的构建是任何一种制造工艺走向规模化应用的必经之路，它对控制产品的性能品质及稳定性生产具有重要意义。我国航天液体动力增材制造技术正处于快速发展中，但与之配套的技术标准的发展相对落后，没能与技术发展水平保持同步。现有的依据标准均是各研究所和企业根据实际情况定制的技术条件和规范，具有较大的个性化特征，且要求参差不齐。这些技术条件和规范呈现零星散点分布状态，没有形成成熟、适用性广泛的从设计、材料、工艺、装备到验证的全产业链标准体系。这已成为制约技术规范化、规模产业化发展的重要瓶颈。4 建议　　“十四五”期间，面对我国航天发射呈现“高强密度”新常态，航天液体动力科研生产更是进入“多型号并举研制、多品种组批生产”的关键阶段，“高密度、短周期”成为型号研制和生产的显著特点。现阶段为更好地契合当前形势下液体动力研制生产及发展需求，发挥先进增材制造技术对于型号快速研制和批量化生产保证的意义重大，我国航天事业增材制造技术发展应主要围绕丰富成形材料体系并提升其力学性能、形成全流程化工艺规范文件、提高智能监控水平以保证成形件质量、系统化增材制造自动化方案和提升相应技术人员能力等方面着手，解决发展过程中存在的关键问题，以成为支撑我国航天强国事业建设的重大创新技术。来源：增材制造硕博联盟