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供稿︰中國工控網 2018/10/23 15:40:15

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  • 關鍵詞︰ 3D打印 超聲速
  • 摘要︰本文以近年來國外開展的高超聲速相關制備工作入手,介紹3D打印技術在高超聲速技術領域的系統—結構—材料等多種級別中的應用,並對其重要性進行分析。

高超聲速飛行器是3D打印技術最重要的突破方向之一。相對于傳統的航空航天飛行器,高超聲速飛行器在臨近空間/大氣層內長時間以超過馬赫數5的高速持續飛行,工作環境惡劣,尤其在彈身/機身外形局部的氣動駐點、激波附著點,以及采用吸氣式動力形勢的發動機進氣道、燃燒室等部位,熱環境尤其嚴酷,對零組件材料的耐高溫性能、結構的力學性能等有著很高要求,同時對零組件空間外形、自身重量等也有著苛刻要求。領域在高超聲速技術相關領域的應用日漸增多,已經成為解決高超聲速飛行器制造瓶頸的關鍵所在。在傳統制造技術無法滿足要求時,3D打印技術為其開闢了一條全新的道路,以其能夠快速制備具有高材料性能、異形結構、整體特性的零部件特點,在高超聲速飛行器相關領域得到了愈發廣泛的應用,甚至成為解決一些高超聲速飛行器特殊零部件瓶頸的唯一選擇。

本文以近年來國外開展的高超聲速相關制備工作入手,介紹3D打印技術在高超聲速技術領域的系統—結構—材料等多種級別中的應用,並對其重要性進行分析。

3D打印技術在高超聲速分系統層級產品中的應用

美國軌道ATK公司(Orbital ATK)近日對一型以3D打印為主要制備方式的高超聲速戰斗部成功進行了試爆工作。戰斗部的研發是軌道ATK公司的主營業務之一,目前公司在導彈產品部門設立的戰斗部開發項目(Warhead Development Programs)中開展了這種自重50磅的戰斗部的研發工作,目的是獲得一款適用于高超聲速武器的致命性增強型彈藥(LEO)戰斗部。該戰斗部共有五個主要部件,其中三個采用3D打印方法制備,佔比超過半數。軌道ATK公司結合此前已有的超聲速火箭發動機與傳統戰斗部設計與制造經驗,實現了這種能夠耐受高速帶來的高溫等環境的戰斗部的開發。

該型戰斗部采用了異形結構,結構構型復雜,與傳統外形存在較大差異。在2018年2月初啟動了設計工作後,戰斗部研發團隊就充分利用了3D打印的優勢,采用了簡潔並符合工藝要求的結構設計,使得制備周期比傳統工藝節省了至少一個半月時間,從而僅用了不到60天就完成了戰斗部的設計—制備—試驗的全流程,實現了具有代表性的高效研發。

軌道ATK公司在2018年3月對這型戰斗部實施了爆炸試驗,這也是該公司第一次對采用3D打印技術的戰斗部開展試驗。試驗中,戰斗部從初始懸掛位置成功實現了爆炸,爆炸後的碎片沖入地下,在起爆點周圍形成了薄金屬碎片散布區,為評估爆破對不同打擊對象的毀傷效果等工作提供了原始數據支撐。

該型戰斗部是目前公開資料披露的首個以3D打印為主要制造手段的高超聲速飛行器分系統產品,其成功制備與試驗是高超聲速技術的一項重要突破,也是高超聲速發展過程中的一個里程碑。

圖1 軌道ATK公司的高超聲速戰斗部爆炸測試

3D打印技術在高超聲速零部件層級產品中的應用

軌道ATK公司在2016年對一型通過3D打印技術制備的燃燒室進行了風洞試驗,該型燃燒室設計用于超燃沖壓發動機,是整個推進系統中難度最高的零部件之一。超燃沖壓發動機內部氣流速度高、空氣湍流現象嚴重,實現可靠點火與穩定燃燒極為困難。對于燃燒室而言,需要精密的流道尺寸控制來滿足燃燒狀態要求,足夠的壁面耐燒蝕性來維持高速高溫氣流的沖刷,較高的結構強度來保證內部持續高壓作用下結構完整性;對采用主動冷卻的燃燒室而言,還需要結構留有細小狹長的冷卻氣/液流通道,燃燒室結構更加復雜。這都為超燃沖壓發動機燃燒室的加工提出了很高要求,即使采用傳統工藝能夠制備,也需要將其分解成數量眾多的零部件、加工成型後經由復雜裝備得到,由此,復雜的裝配尺寸鏈傳遞將直接導致相關零部件需要具備非常高的加工精度,而且加工與裝配消耗的時間也將導致燃燒室制備周期相對漫長,此外大量的零部件裝配勢必引入較多的附加質量,這些無效質量將使整台發動機的有效推重比降低。而據軌道ATK公司導彈產品部負責人透露,該型燃燒室的制備在幾年前仍然無法實現,直至引入3D打印技術後才得以解決。

這型燃燒室采用了名為“粉末床熔融”的3D打印方法,以金屬粉末為原料,工作時將原料送達激光打印頭處,通過打印頭射出的激光將粉末迅速加溫至熔融,這樣軟化的金屬將形成一層微小薄膜狀形態吸附于底層固基上,通過多次這種迭代,由薄膜層層堆疊可形成立體結構,通過激光打印頭控制每次薄膜形成的位置,最終形成所需要的空間立體結構。通過這種制備方法,可以使燃燒室一次性整體成型,不僅大幅降低了設計與制備難度,而且有效提高了燃燒室的整體性能。

為了測試粉末床熔融工藝可以達到的強度,這型燃燒室于2016年在蘭利(Langley)測試中心進行了為期20天的風洞測試,其間對多個高超聲速飛行工況進行了模擬試驗,試驗中燃燒室工況達到了前所未有的持續推進時長。根據測試結果,該型燃燒室成功通過了全部靠核試驗,而沒有出現結構失效,甚至在超出預期實驗條件的情況下仍然保持了良好的狀態,超額達到了設計要求,充分說明了這種3D打印工藝具有的實用性。

圖2 HRL實驗室的超燃沖壓燃燒室風洞測試

除此之外,反應發動機公司(REL)采用了3D打印技術用于生產佩刀發動機(Sabre)縮比模型的噴油管,有效降低了制備難度;模型試驗件在2015年的點火試驗中進行了15次成功點火。歐洲將3D打印技術應用于HEXAFLY項目中,制備了一系列試驗所用飛行器縮比氣動模型,顯著降低了工藝難度與制備周期;在對試驗件進行氣動載荷下結構變形程度、結構完整性、制備成本、制備周期等多項指標進行評估之後認為,這些試驗件能夠滿足高超聲速氣動試驗的需求。ATK公司利用EOS M280型3D打印機為美國的高超聲速吸氣武器方案(HAWC)項目第一階段進行零部件的制備。美國在2015年的發布了高速打擊武器(HSSW)項目的技術成熟項目征詢公告,公告中透露其將考慮采用3D打印技術進行部件制造,以期望達到減少零部件總數量、降低制造成本、提高後勤保障能力等要求。

圖3 REL公司的佩刀發動機縮比試驗件噴油管部件

3D打印技術在高超聲速材料層級產品中的應用


美國空軍實驗室(AFRL)近期在阿諾德空軍基地(Arnold Air Force Base)的實驗設施上完成了對一種3D打印成型的碳氧化 (SiOC)材料的風洞測試。參與實驗的試件由休斯研究實驗室(HRL Laboratories)提供,該機構下屬的航空宇航系統部(Aerospace Systems Directorate)在2016年創新性提出了3D打印SiOC的方法,以期為高超聲速飛行器提供合適的材料。這種3D打印方法采用一種新研制的預陶瓷化樹脂為原料,將該型樹脂通過3D打印固化成型,而後在惰性氣體氛圍中加熱至接近1000℃高溫,使材料中的樹脂充分反應、形成完全的陶瓷化狀態,從而得到需要的陶瓷基復合材料。

HRL開發的SiOC的3D技術突破了傳統陶瓷及復合材料制備的局限性。其中,利用已有的台式三維光刻系統設備將陶瓷前驅體聚合物逐層打印並固化成所希望的形狀,保證了增材制備的可行性;通過惰性環境下的高溫處理使樹脂材料反應形成較高純度的陶瓷,一方面維持了3D打印所得到的外形,另一方面獲得了高性能的陶瓷基復合材料——采用傳統的燒結方法得到的陶瓷在反應過程中內部會出現大量孔隙,而這種3D打印方法有效避免了孔隙的引入,能夠得到高致密度的陶瓷類材料,從而使材料的硬度、強度、耐磨性、抗腐蝕性、高溫性能等均有了明顯提高——可耐受1400℃高溫環境不致收縮或開裂,強度提高至同等密度陶瓷的10倍,制備速度相比于前期3D打印提高了100~1000倍——因此這種方法得到的構件在結構形狀與尺寸上基本不受約束,可以滿足更寬泛的結構需求。

圖4 HRL實驗室的SiOC試驗件風洞測試

該類SiOC材料具備的優秀性能,有望達到航空器動力系統與高超聲速飛行器的大型構件,電子設備與微機電系統中復雜部件等的使用要求,目前受到了AFRL的重點關注。AFRL希望使用這種SiOC材料制備熱輻射防護罩等功能件,並在2018年與HRL簽訂了一份合作研發—材料轉讓協議(Cooperative Research and Development Material Transfer Agreement),協議指定由HRL提供15個SiOC圓柱試棒、5個熱輻射防護罩等試驗件,交付給AFRL進行材料考核測試。

AFRL對試驗件進行了包括熱處理、材料分析、力學分析(重點進行300~2000℃熱膨脹分析)在內的工作,此外阿諾德基地結合高焓設備進行了材料特性分析。實驗報告在2018年3月完稿並交給了HRL,用于指導下一代3D打印SiOC陶瓷生產。值得一提的是,測試過程中曾將實驗條件提高至預期包線之上,得到極端環境下的測試數據,為AFRL與HRL提供了很有價值的素材。

3D打印制造方法與傳統的等材制造、減材制造等方法有著本質區別,具有開放的創造性、靈活性,潛在適用範圍也更廣泛,同時加工周期與構件整體性等方面具有顯著優勢。這令3D打印在一些結構/功能件制備上有著更大潛力,甚至是某些構件制備的唯一選擇,在對材料、結構性能有尤其嚴苛要求的高超聲速領域技術研發中顯得尤其適合。近年來3D打印技術的迅速發展與應用的廣泛工程化,使得其可以承擔的任務逐漸多樣化,實現了材料—零部件—分系統等多個層級產品的應用。

可以預期,3D打印技術在零部件快速維修、快速批量生產等方面將體現出無可替代的優勢,為後勤保障工作提供重要保障。此外,隨著制備技術的成熟、可用材料的增多、材料與結構性能的進步,3D打印將對越來越廣泛地應用于工程生產中。目前一些高溫性能優異的材料只能通過傳統工藝加工得到,如超高溫陶瓷類、難熔金屬材料等,如果能采用3D打印制備,這些材料將能夠滿足更多結構/功能件的設計要求,得到更廣泛的應用。尤其重要的是,高超聲速飛行器上諸多地方需要使用價格昂貴或儲量稀少的材料制備零部件,比如鈦合金、鎳基高溫合金、C/C、C/SiC等,相比于傳統加工普遍存在的90%以上材料被切削掉的現實情況,3D打印制備方式將能夠顯著提高原材料的利用率,不僅有效降低昂貴材料零部件的制造成本,更能夠有效減少稀缺材料的浪費程度。

需要指出的是,目前3D打印仍然存在很多有待發展與改進的地方,比如現有設計程序中針對傳統制造工藝的功能與固化模塊仍然眾多,設計人員受傳統思維影響而對3D打印工藝需要逐漸適應與接受過程,當前宏觀材料物理學工程體系、傳統材料性能檢測技術等對3D打印工藝不盡適合,可以進行3D打印的材料仍然較少等。3D打印技術的成熟還有較長的路程要走,需要經歷螺旋式上升的漫長過程,才能最終突破不利因素、實現更全面廣泛的應用,為高超聲速飛行器為代表的高新產業提供關鍵的支撐。

審核編輯(王靜)
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