3D打印技術(shù)在固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管中的應(yīng)用

摘要：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管是航天推進(jìn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其制造工藝和性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。通過3D打印技術(shù)制造固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管具有設(shè)計(jì)靈活、制造周期短以及成本低等優(yōu)勢(shì)。研究表明，3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)噴管復(fù)雜冷卻通道的一體化制造，提高散熱效率；能夠優(yōu)化噴管壁面結(jié)構(gòu)，減輕重量；還可以實(shí)現(xiàn)功能梯度材料的精確控制，提升噴管的綜合性能。基于選區(qū)激光熔化與電子束選區(qū)熔化等3D打印工藝，結(jié)合后處理技術(shù)，已成功制造出性能優(yōu)異的固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管樣件，為航天領(lǐng)域提供了創(chuàng)新解決方案。

關(guān)鍵詞：3D打印；固體發(fā)動(dòng)機(jī)；噴管；選區(qū)激光熔化；功能梯度材料

中圖分類號(hào)：V19文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）15-0111-03

0引言

航天工業(yè)的蓬勃發(fā)展離不開推進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新突破。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為航天器推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能提升一直是研究熱點(diǎn)。噴管是固體發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件，需要承受高溫、高壓和高速燃?xì)鉀_刷等嚴(yán)苛工作環(huán)境。傳統(tǒng)制造工藝在噴管制造過程中面臨多重挑戰(zhàn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高。其獨(dú)特的逐層制造原理突破了傳統(tǒng)工藝的局限性3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為噴管制造帶來新的機(jī)遇，實(shí)。

現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化制造。近年來，3D打印技術(shù)在材料、工藝和設(shè)備等方面取得重要進(jìn)展，為固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和高效制造提供了有力支撐。深入研究3D打印技術(shù)在固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管中的應(yīng)用具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

13D打印技術(shù)基礎(chǔ)

1.1金屬3D打印工藝原理

金屬3D打印技術(shù)基于逐層制造原理，采用高能束流選擇性熔化金屬粉末成形零件。在選區(qū)激光熔化技術(shù)中，高功率激光束掃描預(yù)定區(qū)域，使金屬粉末快速熔化凝固形成冶金結(jié)合。打印過程由鋪粉系統(tǒng)控制粉末層厚度和均勻性，掃描振鏡系統(tǒng)控制激光光斑移動(dòng)軌跡。工作平臺(tái)逐層下降，新粉末均勻鋪展于已成形層，經(jīng)激光重復(fù)掃描熔化，層層疊加形成三維實(shí)體。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)采用高能電子束為能量源，在真空環(huán)境中打印，具有高效率和良好工藝適應(yīng)性。直接能量沉積技術(shù)通過同步送粉和激光熔化，適用于大尺寸金屬構(gòu)件的快速成型，在修復(fù)再制造領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著[1]。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了材料高效利用和構(gòu)件快速成型，成形尺寸精度可達(dá)±0.1mm，表面粗糙度Ra優(yōu)于1.6μm。

1.2材料特性與工藝參數(shù)

材料特性與工藝參數(shù)在金屬3D打印過程中呈現(xiàn)密切關(guān)聯(lián)性，共同決定打印件的質(zhì)量和性能。金屬粉末的粒度分布與形貌特征影響流動(dòng)性和堆積密度，直接關(guān)系到鋪粉質(zhì)量和熔池行為。球形度高且分布均勻的粉末有利于提高鋪粉致密度和打印穩(wěn)定性。激光功率與掃描速度以及掃描間距和鋪粉層厚構(gòu)成關(guān)鍵工藝參數(shù)組場(chǎng)。較高的能量密度導(dǎo)致熔池溫度升高，通過精確調(diào)控形成特定的能量密度，增加熔深和熔寬，但過高會(huì)引起飛濺和過燒。掃描策略的選擇需權(quán)衡打印效率和應(yīng)力分布，分區(qū)掃描策略通過區(qū)域劃分降低熱應(yīng)力積累。預(yù)熱溫度的調(diào)控有助于減少溫度梯度，抑制裂紋形成。工藝參數(shù)的優(yōu)化需考慮材料特性，針對(duì)不同材料體系建立專門的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為高質(zhì)量構(gòu)件制造提供保障。工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)包含金屬材料的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率以及比熱容等基礎(chǔ)物理參數(shù)，同時(shí)結(jié)合多組工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立工藝參數(shù)與質(zhì)量控制的映射關(guān)系。

23D打印技術(shù)在噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1復(fù)雜冷卻通道的一體化設(shè)計(jì)

固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管在工作過程中承受高溫高壓環(huán)境，有效的冷卻系統(tǒng)對(duì)保證噴管性能至關(guān)重要。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)加工工藝的限制，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜冷卻通道的一體化設(shè)計(jì)與制造。螺旋形冷卻通道設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提升了冷卻介質(zhì)的流動(dòng)效率，增強(qiáng)了傳熱效果。冷卻通道的截面形狀采用變截面設(shè)計(jì)，入口段采用圓形截面減小流動(dòng)阻力，熱交換段采用異形截面增大傳熱面積，出口段采用漸擴(kuò)式結(jié)構(gòu)降低流速[2]。通道壁面設(shè)計(jì)微細(xì)翅片結(jié)構(gòu)，提高傳熱系數(shù)。冷卻通道的布局依據(jù)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化，在溫度較高區(qū)域增加通道密度，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的均勻分布。通過流體力學(xué)計(jì)算和傳熱分析，建立冷卻效率與通道結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系模型。冷卻通道的傳熱效率η與冷卻劑流速v和通道直徑D具有如下關(guān)系：

η=k×v×D（1）

式中：k為傳熱系數(shù)。基于該模型，結(jié)合有限元分析確定通道結(jié)構(gòu)尺寸及分布參數(shù)，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖1）。

2.2輕量化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

噴管結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)在保證承載能力和使用壽命的前提下，通過拓?fù)鋬?yōu)化方法實(shí)現(xiàn)材料的合理分布。噴管結(jié)構(gòu)承受熱載荷和氣動(dòng)載荷的耦合作用，載荷分布呈現(xiàn)明顯的不均勻性。基于多目標(biāo)優(yōu)化理論，建立包含應(yīng)力水平、變形量以及質(zhì)量在內(nèi)的優(yōu)化模型。采用漸進(jìn)式網(wǎng)格劃分方法，在應(yīng)力集中區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格提高計(jì)算精度。通過敏感性分析確定結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響程度，建立優(yōu)化迭代策略。結(jié)構(gòu)形式上采用變壁厚設(shè)計(jì)，在氣動(dòng)力作用區(qū)域適當(dāng)增加壁厚，非承力區(qū)域?qū)崿F(xiàn)減薄。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)采用蜂窩狀和網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，在不同位置根據(jù)應(yīng)力水平調(diào)整支撐密度。邊緣處設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋提高局部剛度，過渡區(qū)域采用圓角過渡降低應(yīng)力集中。結(jié)合傳統(tǒng)鑄造限制進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)具有自支撐特性，減少支撐結(jié)構(gòu)的使用，降低后處理工作量[3]。

2.3功能梯度材料的設(shè)計(jì)應(yīng)用

功能梯度材料設(shè)計(jì)在3D打印技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)了材料性能的連續(xù)過渡。噴管內(nèi)壁采用耐高溫耐腐蝕材料，通過調(diào)控材料成分實(shí)現(xiàn)性能梯度分布。沿徑向方向，逐層改變金屬粉末的配比，在保證結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)材料性能的定向調(diào)控。耐高溫層選用高溫合金材料，中間過渡層通過改變合金元素的含量，降低熱應(yīng)力集中。外壁層選用高強(qiáng)度材料，提供足夠的承載能力。材料的熱膨脹系數(shù)以及彈性模量等力學(xué)性能呈連續(xù)漸變分布，避免了傳統(tǒng)復(fù)合材料界面應(yīng)力集中問題。根據(jù)服役環(huán)境，確定各層材料的成分配比和厚度尺寸，建立材料性能的分布函數(shù)。結(jié)合微觀組織分析和力學(xué)性能測(cè)試，驗(yàn)證材料性能的梯度變化規(guī)律，優(yōu)化工藝參數(shù)。

33D打印技術(shù)在噴管制造過程中的應(yīng)用

3.1選區(qū)激光熔化工藝的應(yīng)用

選區(qū)激光熔化工藝在固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造中發(fā)揮核心作用。工藝實(shí)施過程中，高功率激光束作為能量源，在預(yù)設(shè)掃描路徑上選擇性熔化金屬粉末。制造平臺(tái)預(yù)熱溫度設(shè)定在200～300℃范圍內(nèi)，有效減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生[4]。粉末層鋪設(shè)采用柔性陶瓷刮刀，確保鋪粉均勻性達(dá)到95%以上。激光功率選擇2000～3000W范圍，掃描速度控制在5～8m/s，在保證熔化充分的同時(shí)避免能量密度過大引起的飛濺。掃描路徑規(guī)劃采用棋盤式分區(qū)掃描策略，降低大尺寸薄壁結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)。氬氣保護(hù)氣氛中氧含量控制在100ppm以下，防止材料氧化。成形過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池溫度和尺寸，建立閉環(huán)反饋控制機(jī)制。對(duì)噴管不同位置區(qū)域采用差異化的工藝參數(shù)，收斂段選用較高的能量密度提升致密度，膨脹段適當(dāng)降低能量密度提高生產(chǎn)效率。通過在線測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整，保證制造過程的穩(wěn)定性（圖3）。

3.2制造工藝參數(shù)優(yōu)化與控制

制造工藝參數(shù)優(yōu)化建立在深入理解材料—工藝—性能關(guān)系的基礎(chǔ)上。采用正交試驗(yàn)方法，系統(tǒng)研究激光功率與掃描速度以及掃描間距與層厚等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律。通過金相組織分析與力學(xué)性能測(cè)試以及密度測(cè)定等手段，建立工藝參數(shù)與性能指標(biāo)的映射關(guān)系。激光功率與掃描速度的比值確定能量密度水平，進(jìn)而影響材料熔化程度和組織致密度。掃描間距與光斑直徑的比值決定熔道搭接程度，影響表面質(zhì)量和力學(xué)性能[5]。借助高速攝像等手段觀察熔池行為，獲取熔池形貌與溫度場(chǎng)分布等特征信息，指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化。結(jié)合數(shù)值模擬方法，預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，為參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。建立專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)不同材料與不同結(jié)構(gòu)特征制定差異化工藝參數(shù)方案。在此基礎(chǔ)上開發(fā)智能化工藝參數(shù)調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制造過程的自適應(yīng)控制。

3.3后處理工藝的應(yīng)用改進(jìn)

后處理工藝針對(duì)3D打印件的殘余應(yīng)力與表面質(zhì)量以及尺寸精度等問題進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)。熱處理工藝采用分步加熱方案，逐級(jí)升溫釋放殘余應(yīng)力，避免工件變形。固溶處理溫度選擇在材料再結(jié)晶溫度以上，時(shí)效處理溫度根據(jù)所需強(qiáng)化相的析出規(guī)律確定。表面后處理采用機(jī)械拋光與化學(xué)拋光相結(jié)合的方式，機(jī)械拋光去除表面大顆粒熔渣，化學(xué)拋光提升表面光潔度。對(duì)精密配合面采用精密加工工藝，通過數(shù)控銑削實(shí)現(xiàn)尺寸精度控制。粗糙度檢測(cè)結(jié)果顯示，表面粗糙度由打印態(tài)的Ra6.3μm提升至Ra1.6μm。針對(duì)成形支撐結(jié)構(gòu)的去除，開發(fā)專用工裝夾具，提高支撐去除效率和質(zhì)量。內(nèi)腔結(jié)構(gòu)采用增材-減材復(fù)合加工方式，結(jié)合電解加工技術(shù)改善內(nèi)表面質(zhì)量。對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，包括X射線探傷以及超聲檢測(cè)等，確保構(gòu)件質(zhì)量滿足使用要求[6]。

4應(yīng)用效果與發(fā)展趨勢(shì)

4.1典型應(yīng)用案例分析

3D打印技術(shù)在大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造中的應(yīng)用成果顯著。某型號(hào)固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管采用選區(qū)激光熔化工藝制造，噴管收斂段采用高溫合金材料，設(shè)計(jì)內(nèi)部螺旋形冷卻通道，通道直徑2～5mm，壁厚0.8～1.2mm。制造過程中采用變功率分區(qū)掃描策略，收斂段功率密度提升20%，顯著改善了薄壁結(jié)構(gòu)的致密度。后處理采用分段熱處理工藝，殘余應(yīng)力降低65%，變形量控制在0.2mm以內(nèi)。地面試車驗(yàn)證表明，噴管在400s工作時(shí)間內(nèi)性能穩(wěn)定，推力波動(dòng)小于2%，比傳統(tǒng)工藝節(jié)省制造周期30%。某型小型固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管采用梯度材料設(shè)計(jì)方案，內(nèi)壁采用鎳基高溫合金，外壁采用鈦合金，過渡層厚度2mm。制造過程通過在線調(diào)控送粉比例，實(shí)現(xiàn)了材料成分的連續(xù)過渡，界面結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的85%。該噴管重量比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案降低25%，成本降低40%，在多次地面試驗(yàn)中展現(xiàn)出優(yōu)異的服役性能。

4.2應(yīng)用成效與挑戰(zhàn)

3D打印技術(shù)在固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造領(lǐng)域的應(yīng)用帶來顯著成效。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜冷卻通道的一體化制造，傳熱效率提升35%，溫度場(chǎng)分布更加均勻。功能梯度材料的應(yīng)用使噴管重量降低20%～30%，結(jié)構(gòu)可靠性提高。在制造工藝方面，制造周期從傳統(tǒng)的3～4個(gè)月縮短至1個(gè)月，產(chǎn)品合格率達(dá)到90%以上，制造成本降低30%～50%。然而，技術(shù)應(yīng)用過程中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。大尺寸薄壁構(gòu)件的變形控制難度大，局部區(qū)域易產(chǎn)生裂紋和孔隙缺陷。材料性能一致性有待提高，批次間性能波動(dòng)達(dá)到15%。工藝參數(shù)優(yōu)化周期長(zhǎng)，制造成本仍高于傳統(tǒng)工藝。質(zhì)量控制和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，缺乏完整的評(píng)價(jià)體系。設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性需要提升，關(guān)鍵零部件壽命較短，維護(hù)成本高（表1）。

4.3技術(shù)應(yīng)用前景展望

3D打印技術(shù)在固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。智能化制造將成為重要發(fā)展方向，通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化工藝參數(shù)，建立工藝—組織—性能預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)制造過程的智能控制。多材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不斷創(chuàng)新，通過材料性能的精確調(diào)控，滿足噴管不同部位的性能需求。新型高溫合金材料體系的開發(fā)，將進(jìn)一步提升噴管的使用溫度和壽命。大尺寸構(gòu)件制造設(shè)備向著高精度與高效率方向發(fā)展，設(shè)備穩(wěn)定性顯著提升。在線監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制技術(shù)日趨完善，缺陷預(yù)測(cè)與控制能力增強(qiáng)。后處理工藝創(chuàng)新不斷，殘余應(yīng)力控制和表面質(zhì)量改善取得突破。

標(biāo)準(zhǔn)化體系逐步建立，推動(dòng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用走向工程化應(yīng)用。未來5～10年內(nèi)，3D打印技術(shù)將在固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造領(lǐng)域占據(jù)重要地位。

5結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)在固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。系統(tǒng)研究表明，該技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)制造工藝的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)噴管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高效制造。在材料選擇方面，3D打印技術(shù)支持多種高性能金屬材料的應(yīng)用，并可實(shí)現(xiàn)功能梯度結(jié)構(gòu)的精確控制。在工藝優(yōu)化方面，通過參數(shù)調(diào)控和后處理工藝的改進(jìn)，顯著提升了噴管的綜合性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，3D打印噴管在力學(xué)性能與熱性能和服役性能等方面均達(dá)到或超過傳統(tǒng)工藝水平。

未來，3D打印技術(shù)將在固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造領(lǐng)域帶來四個(gè)重要影響：工藝智能化水平將顯著提升，實(shí)現(xiàn)制造過程的全程監(jiān)控和自適應(yīng)調(diào)節(jié)；新型耐高溫金屬材料的3D打印工藝將取得突破，進(jìn)一步提升噴管的使用溫度和壽命；規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)將逐步成熟，制造成本將降低30%以上；標(biāo)準(zhǔn)化體系將逐步完善，推動(dòng)技術(shù)在航天工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。這些發(fā)展將為航天工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】