航天科技第一研究院王福德: 增材制造技術在航天領域的應用與展望

3D打印快訊
2019
10/25
17:25
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2019年9月19-21日,IAME中國(西安)國際3D打印博覽會暨高峰論壇在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技創新的開放合作共享交流平臺,匯聚全球頂尖的增材制造(3D打印)領域成果及人才,促進行業各環節、產業鏈的銜接融合。南極熊作為戰略合作媒體,到西安現場全程報道。

在“增材制造技術與航空航天論壇”上,航天科技第一研究院王福德做了主題是《增材制造技術在航天領域的應用與展望》的報告。

下面南極熊根據現場速記整理的內容:

內容主要有幾部分,一是背景,二是國外增材制造在航天領域的應用;三是國內增材制造研究進展及航天工程應用;四是未來展望;五是結束語。

一、背景
在過去60年,航天制造支撐了航天事業完成了三大里程碑,成為航天事業發展的堅實基礎和技術保障,新時期黨中央提出了建設航天強國的新目標和新要求,航天制造作為“高、精、尖”制造的代表,是中國制造的重要核心力量,發展發揮好牽引、輻射、帶動作用,引領我國制造業的發展。

這個話肯定很多人有意見,中國航天承載了載人航天、北斗導航、深空探測、空間站建設等國家重大工程,型號研制任務重、周期緊,現在我在那個廠也面臨很多制造問題,確實存在這個問題,需要新技術的使用和推廣。

國外Space X,所謂的商業航天,都在發展低成本的發射,更加需要快速低成本的技術,3D打印確實是一個比較好的技術,能夠適應這個形勢的發展。這個需求是形勢要求、產品新需求和實施途徑。

二、國外增材制造在航天領域的應用
國外包括美國,歐盟、歐空局,澳大利亞都搞了增材制造,我們國家也搞,2025里面也有一部分增材制造的東西,我后面主要講NASA,NASA在很多年以前,80年代末到90年代開始,研究各種各樣的3D打印技術,主要在發動機方面,他通過一系列項目的支撐,現在有一個發動機技術,他投入了很多錢做,包括RS25,他做了很多增材制造,包括選區、送粉、電弧、電子束送絲等做了很多技術制造航天零部件。

他當時搞了一個項目:Additive Manufacturing Demonstrator Engine(AMDE)Project,這個航天發動機在氧渦輪泵、氫渦輪泵、噴注器、閥門、噴管、燃燒室都采用增材制造, Demonstrator Engine,這個Engine也試車,很多都在不同階段都進行試車,包括波段級試車和整機試車他都在做。

每個表里面都詳細列出來了,包括噴注器,Injector原來252零件,用6個零件把它打印出來,減少大量零部件的裝配,提高了可靠性,包括氫渦輪泵,OTP是氧渦輪泵,以及燃燒室,都采用了大量的3D打印技術。這是它的同位燃燒室,他把燃燒室都裝配起來,有的也進行了試車。包括噴注器,Additive Combustion Chambers Assembly,252個零件變成6個零件打印出來,他也做了試車。一氧渦輪泵采用了很多3D打印技術,氫輕渦輪泵也采用了3D打印技術。不同的泵門,因為航天發動機主要有兩個渦輪泵,一個氫渦輪泵,氧渦輪泵,燃燒室以及噴管,再就是各種各樣的閥門組成,還有一些管路,這幾大部件都采用了3D打印技術,包括大噴管,采取了激光送粉技術電弧增材制造技術,和電子束熔增材制造技術,做了很多噴管外壁的制造,內壁采用銅內壁,下面網格結構,內流道結構,外面的蒙皮,這個外壁用激光送絲增材制造技術打印出來,避免了傳統采用電鑄鎳的技術和真空擴散釬焊的技術,提高了它的可靠性,最后他進行了整車的試車。未來它的目標通過這個AMDMA的技術,3D打印會推廣,包括核推進和后續商業航天,都采用大量的3D打印技術進行新的航天發動機的推廣。

三、國內增材制造研究進展及航天工程應用
介紹一下我們廠的,航天包括有衛星,箭體和發動機,發動機主要是六院,我們211廠有液氫一氧發動機,就是低溫發動機在我們廠。這是完整的發動機,帶螺旋內流道發動機,我們3D打印進行了流量測試,包括內流道的表面質量,進行了流道測試,已經通過了考核,下一步有機會進行熱試車,這是我們打的排氣凸錐,當時長五的發動機上一個排氣錐,根據NASA,現在新的90發動機的研制,重型運載火箭發動機的研制,我們進行了一體化噴注器的3D打印,噴嘴一體的3D打印,這個都在預研階段,大零件送粉制造技術我們打了CZ-5B的捆綁支架,CZ-5B新機只有一機,它新機加上四個助推,這個捆綁制作非常大,它連接捆綁新機重要的承力結構,我們最后進行了全件的全應力考核,最后加了兩倍載荷,零件變形在許可范圍內,今年年底或者明年這個會隨著長5B去飛行。

這個為什么這么重要,長5B新機只有一機,它減重,我們把換成TC11,換成鈦合金,我們沒有通過結構減重,只是材料減重,減重大概40%,它減重了200公斤,長5B捆綁結構減重,這200公斤直接變成200公斤的載荷,這個意義非常重大。

包括我們打了一些中小結構的,包括某型號的尾翼接頭,某型號的儀器支架金屬骨架,中小結構都在一米左右的零件,中間這個零件是復合制造,下半部分比較復雜的支架采取選區,上面簡單采用送粉的制造技術打出來。在電弧大力件結構快速反應,在長11的火箭,長11昨天又發了一發,去年年底沒有發,是我們打了一個衛星支架,電弧3D打印唯一通過飛行考核驗證的一個零件,通過了真的飛行考核,2018年12月21日通過飛行考核,跟著長11飛行了一下。我們打了一個非常大的鋁合金艙段,全部做了無損檢測,它的斷裂性能可以達到鍛造性能的要求,如果傳統的方式制造,一般要兩三個月,我們這個十來天就做出來了。上一張圖是40個小時,這個快返非常快,整個衛星支架,包括配重盤,我們不加班,正常情況下10來天打出來。

這個是重型捆綁,剛才講長5B的捆綁這個是新型重型火箭捆綁,它的新機直徑10米,捆綁5米。我們最近打了一個最右邊是氦儲罐,直徑1米,重型運載火箭有幾個低溫儲罐裝液氦,TA7的材料,現在兩段正在機加,現在給90發動機打的燃燒室的夾套,高溫合金的,那邊打了重型運載火箭高溫合金的球閥,在預研型號進行了應用。

四、未來展望
王君平先生介紹了一些專機的研制,最右邊那個圖,現役型號運載火箭的噴管采用管塑螺旋式焊接結構,由幾百根螺旋空管把它焊起來,現在如果有大的選區裝備,可以把它一體打印,旁邊是我們打的縮比件,包括關鍵零部件國產化,還有激光器,光纖激光器國內也有中小功率,包括大功率,光纖激光器也有,包括整鏡,整鏡現在大量采用德國,包括3D打印整機裝備,選區裝備國產化率已經非常高了,關鍵零部件包括3D大幅面的選區,專機的3D打印,右邊直徑大端直徑大概1米2,高1米4,小端直徑大概500多,如果有這么大的裝備,零件非常輕,采用幾百個螺旋管術把它焊接起來,時間周期非常長,如果用3D打印整體打印出來,大大縮短了產品的研制周期。

解決標準問題,質量管控問題,包括原材料,包括可重復粉末利用,我們廠做了很多工作,形成了很多標準。3D打印無損檢測的問題,這是大家共同面臨的問題,3D打印隨著零件復雜形狀的增加越來越不可檢,中間的曲線縱坐標是零件復雜程度,橫坐標是零件的檢測方法,隨著復雜程度的提高基本上不可減。現在無損檢測技術不光咱們用,NASA,NDT的做了很多研究,現在對于復雜形狀,5類形狀的復雜材料,目前唯一的檢測方法只有(英:邁克若CT)這個方法可以檢驗。

標準體系的建立,國內各個廠家,包括各個行業都在制定不同的標準體系,標準如果沒有,設計人員無從參考,限制了這個技術的使用,最右邊那個圖,我們傳統的設計人員想要鍛造的組織,我們3D打印的組織和鍛造組織不一樣,如何滿足傳統,所有的邏輯都要跟鍛件比,因為鍛件已經被傳統的設計人員所接受了,3D打印有3D打印的組織特征,包括大尺寸結構,送粉打的那個,包括電弧打的鈦合金,損傷熔限不差,但是靜態變形比鍛件低一些,就是將來如何使用的問題。

五、結束語
我借用了別人的圖,AM is a great techeology,if we can make it work。3D打印是非常偉大的技術,滿足現代工業設計的制造,關鍵是質量,還包括管控,左邊是我們3D打印得到的組織特征,極端情況下是多孔的,右邊都是鍛造的組織特征,右下角是鍛造,左邊是3D打印高溫合金,上面是鈦合金的組織結構,我們如何從3D打印滿足設計的要求路很長,我沒有畫路,我畫的水,真正做3D打印的人跳到這個海洋里親身經歷努力游過去,未來共同把3D打印推的更廣,不光在航空航天,在民用,包括汽車等其他的領域都可以在未來使用。


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