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

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�,。┛萍紕�(chuàng)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�,。╊I域成果及人才,，促進行業(yè)各環(huán)節(jié)、產業(yè)鏈的銜接融合,。南極熊作為戰(zhàn)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(yè)完成了三大里程碑,，成為航天事業(yè)發(fā)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(fā)展發(fā)揮好牽引,、輻射、帶動作用,，引領我國制造業(yè)的發(fā)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(yè)航天,，都在發(fā)展低成本的發(fā)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(fā)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(fā)動機方面,，他通過一系列項目的支撐，現在有一個發(fā)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(qū),、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(fā)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(fā)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(tǒng)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(xù)商業(yè)航天，都采用大量的3D打印技術進行新的航天發(fā)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(wèi)星,，箭體和發(fā)動機,，發(fā)動機主要是六院，我們211廠有液氫一氧發(fā)動機,，就是低溫發(fā)動機在我們廠,。這是完整的發(fā)動機，帶螺旋內流道發(fā)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(fā)動機上一個排氣錐,，根據NASA,，現在新的90發(fā)動機的研制，重型運載火箭發(fā)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(qū),，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(fā)了一發(fā)，去年年底沒有發(fā),，是我們打了一個衛(wèi)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(tǒng)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�,？�,，整個衛(wèi)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(fā)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(qū)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(qū)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(qū)，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�,，F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(yè)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(tǒng)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(tǒng),，所有的邏輯都要跟鍛件比，因為鍛件已經被傳統(tǒng)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(tài)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(yè)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。