超600mm直徑大尺寸銅合金3D打印方案FS621M-Cu,，華曙高科攜手首都航天機械聯(lián)合推出

純銅及銅合金因其卓越的導(dǎo)電性,、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和韌性,，在航空,、航天發(fā)動機燃燒室部件的制造中得到了廣泛應(yīng)用。然而,，它們對近紅外激光（例如波長為1064nm的激光）的高反射率特性,，是銅金屬3D打印領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。

華曙高科憑借雄厚的研發(fā)實力和豐富的工藝創(chuàng)新能力,，早在2016年就在FS271M的平臺上突破了青銅打印工藝,，成為國內(nèi)首批具備銅合金3D打印能力的企業(yè),。

2023年，首都航天機械有限公司攜手華曙高科,，基于大尺寸金屬增材制造解決方案FS621M,，聯(lián)合研發(fā)出行業(yè)內(nèi)少有的銅合金打印大尺寸、專業(yè)級增材制造設(shè)備FS621M-Cu,，該款設(shè)備配置4臺1000W摻鐿 (Yb) 激光器,，激光器波長1060-1080nm，進(jìn)一步突破了CuCrZr等高反材料大型工件長時間穩(wěn)定打印課題,。

2023年8月,，首都航天機械有限公司采用該款設(shè)備成功實現(xiàn)某型火箭發(fā)動機推力室身部內(nèi)壁試驗件的增材制造，該產(chǎn)品直徑達(dá)600毫米量級,，高度達(dá)850毫米量級,，是目前公開報道過的最大的整體增材制造銅合金身部產(chǎn)品。
其成功研制也標(biāo)志著首都航天機械有限公司成為國內(nèi)首批全面掌握大尺寸鉻鋯銅合金激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)的單位,。該技術(shù)突破填補了國內(nèi)增材制造技術(shù)領(lǐng)域的空白,，助力發(fā)動機生產(chǎn)跑出創(chuàng)新“加速度”。


制造難點：推力室結(jié)構(gòu)復(fù)雜周期長
推力室是液體火箭發(fā)動機的核心,，在極端溫度,、壓力、振動和氧化環(huán)境下運行,，是液體火箭發(fā)動機中最復(fù)雜,、制造難度最大、制造周期最長的部件,。推力室通常采用夾層流道設(shè)計,，利用再生冷卻方法，在發(fā)動機工作循環(huán)中使用推進(jìn)劑來整體冷卻推力室側(cè)壁,，同時又可保持足夠的壁溫來加熱推進(jìn)劑,，從而提高噴注效果。

采用增材制造方法可大大簡化推力室身部的制造過程,，實現(xiàn)銅合金內(nèi)襯封閉式溝槽通道結(jié)構(gòu)一體成形,，達(dá)到優(yōu)化冷卻通道幾何結(jié)構(gòu)，增強換熱性能,，提高發(fā)動機整體性能的效果,。相比傳統(tǒng)旋壓+機加+釬焊方案，這種制造成本降低75%,，并大幅縮短研發(fā)周期,。

銅基合金對激光的吸收率主要取決于環(huán)境條件，粉末表面條件,，熔池溫度,，特別是激光波長。此外,，銅合金導(dǎo)熱系數(shù)高,、熱梯度大、散熱快,，在加工過程中還易造成沉積層的分層和卷曲,，因此采用增材制造方法制造銅合金具有挑戰(zhàn)性。

解決方案：實現(xiàn)高反材料穩(wěn)定打印
FS621M是華曙高科于2020年推出的大尺寸金屬增材制造系統(tǒng),，其具有620*620*1100mm的成形缸（含基板）,，4激光或6激光配置，經(jīng)市場端多年驗證,，累計銷量已超80臺,，在同類產(chǎn)品的市場占有率保持領(lǐng)先，持續(xù)助力航空航天,、汽車等制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級,。

為滿足銅合金打印需求，首都航天機械有限公司對FS621M進(jìn)行了專門的優(yōu)化與升級,。在華曙高科的協(xié)助下,，對成形腔室進(jìn)行了防反射處理、搭載了全域智能熱量管理系統(tǒng),、配置了1000W×4的高功率激光器,；基于實踐打印經(jīng)驗，首都航天機械有限公司還特別開發(fā)了一整套高效率的工藝參數(shù),。通過這些措施,，成功解決了高反材料的打印難點，推出專門針對銅合金的大尺寸設(shè)備FS621M-Cu,，該設(shè)備特別適用于CuCrZr等高反材料的長時間穩(wěn)定打印,。
經(jīng)過測試，F(xiàn)S621M-Cu所制備的試塊密度成功達(dá)到了8.86g/cm³及以上,。通過金相顯微鏡對試塊內(nèi)部組織的細(xì)致觀察,，結(jié)果顯示其結(jié)構(gòu)非常致密，且在整個幅面范圍內(nèi),，未發(fā)現(xiàn)任何尺寸超過60μm的孔洞,。

與此同時，對打印出的拉伸試棒進(jìn)行了沉積態(tài)下的力學(xué)性能測試,，結(jié)果顯示其力學(xué)性能綜合表現(xiàn)優(yōu)異,。另外，對打印的測試樣塊還進(jìn)行了導(dǎo)熱性測試,，測試結(jié)果表明,，在常溫下,，該樣塊的導(dǎo)熱系數(shù)不低于345[W/(m·K)]，熱擴(kuò)散系數(shù)不小于95（mm²/s）,，比熱容則大于或等于0.35[J/(g·K)],。

為確保火箭發(fā)動機推力室身部槽道結(jié)構(gòu)尺寸精度,，提高一次打印成功率,，首都航天機械有限公司截取零件典型局部進(jìn)行打印驗證，并對槽道進(jìn)行拋光處理,，減少壓降,，提高發(fā)動機性能，經(jīng)驗證后最終成功打印出推力室整體零件,。對推力室身部流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行X光掃描,，可以看出其流道特征結(jié)構(gòu)清晰、尺寸均勻,，粉末清理徹底,，成品品質(zhì)優(yōu)異。

2023年,，首都航天機械有限公司增材團(tuán)隊已完成銅合金粉末質(zhì)量控制,、銅合金激光選區(qū)成形工藝優(yōu)化等一整套技術(shù)研究，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了鉻鋯銅合金激光選區(qū)熔化增材制造的技術(shù)突破,。采用該技術(shù)制造的產(chǎn)品性能較設(shè)計指標(biāo)提高50%以上,，成形零件尺寸精度大幅提升，且生產(chǎn)周期縮短至驚人的15至20天,，成本較傳統(tǒng)生產(chǎn)模式明顯降低,。

AMPOWER曾預(yù)測，至2027年銅合金的年增長率將達(dá)46.6%,。秉承持續(xù)創(chuàng)新推動增材制造產(chǎn)業(yè)化理念,，華曙高科將持續(xù)進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新，精益求精,，用增材制造技術(shù)為人類實現(xiàn)奔赴星辰大海的夢想提供更多可能,。