航天科技第一研究院王福德： 增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

2019年9月19-21日，IAME中國(guó)（西安）國(guó)際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇在西安高新國(guó)際會(huì)議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�。┛萍紕�(chuàng)新的開(kāi)放合作共享交流平臺(tái)，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打印）領(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場(chǎng)全程報(bào)道。

在“增材制造技術(shù)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(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與展望》的報(bào)告。

下面南極熊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記整理的內(nèi)容：

內(nèi)容主要有幾部分，一是背景，二是國(guó)外增材制造在航天領(lǐng)域的應(yīng)用；三是國(guó)內(nèi)增材制造研究進(jìn)展及航天工程應(yīng)用；四是未來(lái)展望；五是結(jié)束語(yǔ)。

一、背景
在過(guò)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和技術(shù)保障，新時(shí)期黨中央提出了建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的新目標(biāo)和新要求，航天制造作為“高、精、尖”制造的代表，是中國(guó)制造的重要核心力量，發(fā)展發(fā)揮好牽引、輻射、帶動(dòng)作用，引領(lǐng)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。

這個(gè)話(huà)肯定很多人有意見(jiàn)，中國(guó)航天承載了載人航天、北斗導(dǎo)航、深空探測(cè)、空間站建設(shè)等國(guó)家重大工程，型號(hào)研制任務(wù)重、周期緊，現(xiàn)在我在那個(gè)廠(chǎng)也面臨很多制造問(wèn)題，確實(shí)存在這個(gè)問(wèn)題，需要新技術(shù)的使用和推廣。

國(guó)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(shù)，3D打印確實(shí)是一個(gè)比較好的技術(shù)，能夠適應(yīng)這個(gè)形勢(shì)的發(fā)展。這個(gè)需求是形勢(shì)要求、產(chǎn)品新需求和實(shí)施途徑。

二、國(guó)外增材制造在航天領(lǐng)域的應(yīng)用
國(guó)外包括美國(guó)，歐盟、歐空局，澳大利亞都搞了增材制造，我們國(guó)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(kāi)始，研究各種各樣的3D打印技術(shù)，主要在發(fā)動(dòng)機(jī)方面，他通過(guò)一系列項(xiàng)目的支撐，現(xiàn)在有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，他投入了很多錢(qián)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(shù)制造航天零部件。

他當(dāng)時(shí)搞了一個(gè)項(xiàng)目：Additive Manufacturing Demonstrator Engine（AMDE）Project，這個(gè)航天發(fā)動(dòng)機(jī)在氧渦輪泵、氫渦輪泵、噴注器、閥門(mén)、噴管、燃燒室都采用增材制造， Demonstrator Engine，這個(gè)Engine也試車(chē)，很多都在不同階段都進(jìn)行試車(chē)，包括波段級(jí)試車(chē)和整機(jī)試車(chē)他都在做。

每個(gè)表里面都詳細(xì)列出來(lái)了，包括噴注器，Injector原來(lái)252零件，用6個(gè)零件把它打印出來(lái)，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(shù)。這是它的同位燃燒室，他把燃燒室都裝配起來(lái)，有的也進(jìn)行了試車(chē)。包括噴注器，Additive Combustion Chambers Assembly，252個(gè)零件變成6個(gè)零件打印出來(lái)，他也做了試車(chē)。一氧渦輪泵采用了很多3D打印技術(shù)，氫輕渦輪泵也采用了3D打印技術(shù)。不同的泵門(mén)，因?yàn)楹教彀l(fā)動(dòng)機(jī)主要有兩個(gè)渦輪泵，一個(gè)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(mén)組成，還有一些管路，這幾大部件都采用了3D打印技術(shù)，包括大噴管，采取了激光送粉技術(shù)電弧增材制造技術(shù)，和電子束熔增材制造技術(shù)，做了很多噴管外壁的制造，內(nèi)壁采用銅內(nèi)壁，下面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，外面的蒙皮，這個(gè)外壁用激光送絲增材制造技術(shù)打印出來(lái)，避免了傳統(tǒng)采用電鑄鎳的技術(shù)和真空擴(kuò)散釬焊的技術(shù)，提高了它的可靠性，最后他進(jìn)行了整車(chē)的試車(chē)。未來(lái)它的目標(biāo)通過(guò)這個(gè)AMDMA的技術(shù)，3D打印會(huì)推廣，包括核推進(jìn)和后續(xù)商業(yè)航天，都采用大量的3D打印技術(shù)進(jìn)行新的航天發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣。

三、國(guó)內(nèi)增材制造研究進(jìn)展及航天工程應(yīng)用
介紹一下我們廠(chǎng)的，航天包括有衛(wèi)星，箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要是六院，我們211廠(chǎng)有液氫一氧發(fā)動(dòng)機(jī)，就是低溫發(fā)動(dòng)機(jī)在我們廠(chǎng)。這是完整的發(fā)動(dòng)機(jī)，帶螺旋內(nèi)流道發(fā)動(dòng)機(jī)，我們3D打印進(jìn)行了流量測(cè)試，包括內(nèi)流道的表面質(zhì)量，進(jìn)行了流道測(cè)試，已經(jīng)通過(guò)了考核，下一步有機(jī)會(huì)進(jìn)行熱試車(chē)，這是我們打的排氣凸錐，當(dāng)時(shí)長(zhǎng)五的發(fā)動(dòng)機(jī)上一個(gè)排氣錐，根據(jù)NASA，現(xiàn)在新的90發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，我們進(jìn)行了一體化噴注器的3D打印，噴嘴一體的3D打印，這個(gè)都在預(yù)研階段，大零件送粉制造技術(shù)我們打了CZ-5B的捆綁支架，CZ-5B新機(jī)只有一機(jī)，它新機(jī)加上四個(gè)助推，這個(gè)捆綁制作非常大，它連接捆綁新機(jī)重要的承力結(jié)構(gòu)，我們最后進(jìn)行了全件的全應(yīng)力考核，最后加了兩倍載荷，零件變形在許可范圍內(nèi)，今年年底或者明年這個(gè)會(huì)隨著長(zhǎng)5B去飛行。

這個(gè)為什么這么重要，長(zhǎng)5B新機(jī)只有一機(jī)，它減重，我們把換成TC11，換成鈦合金，我們沒(méi)有通過(guò)結(jié)構(gòu)減重，只是材料減重，減重大概40%，它減重了200公斤，長(zhǎng)5B捆綁結(jié)構(gòu)減重，這200公斤直接變成200公斤的載荷，這個(gè)意義非常重大。

包括我們打了一些中小結(jié)構(gòu)的，包括某型號(hào)的尾翼接頭，某型號(hào)的儀器支架金屬骨架，中小結(jié)構(gòu)都在一米左右的零件，中間這個(gè)零件是復(fù)合制造，下半部分比較復(fù)雜的支架采取選區(qū)，上面簡(jiǎn)單采用送粉的制造技術(shù)打出來(lái)。在電弧大力件結(jié)構(gòu)快速反應(yīng)，在長(zhǎng)11的火箭，長(zhǎng)11昨天又發(fā)了一發(fā)，去年年底沒(méi)有發(fā)，是我們打了一個(gè)衛(wèi)星支架，電弧3D打印唯一通過(guò)飛行考核驗(yàn)證的一個(gè)零件，通過(guò)了真的飛行考核，2018年12月21日通過(guò)飛行考核，跟著長(zhǎng)11飛行了一下。我們打了一個(gè)非常大的鋁合金艙段，全部做了無(wú)損檢測(cè)，它的斷裂性能可以達(dá)到鍛造性能的要求，如果傳統(tǒng)的方式制造，一般要兩三個(gè)月，我們這個(gè)十來(lái)天就做出來(lái)了。上一張圖是40個(gè)小時(shí)，這個(gè)快返非�？欤�整個(gè)衛(wèi)星支架，包括配重盤(pán)，我們不加班，正常情況下10來(lái)天打出來(lái)。

這個(gè)是重型捆綁，剛才講長(zhǎng)5B的捆綁這個(gè)是新型重型火箭捆綁，它的新機(jī)直徑10米，捆綁5米。我們最近打了一個(gè)最右邊是氦儲(chǔ)罐，直徑1米，重型運(yùn)載火箭有幾個(gè)低溫儲(chǔ)罐裝液氦，TA7的材料，現(xiàn)在兩段正在機(jī)加，現(xiàn)在給90發(fā)動(dòng)機(jī)打的燃燒室的夾套，高溫合金的，那邊打了重型運(yùn)載火箭高溫合金的球閥，在預(yù)研型號(hào)進(jìn)行了應(yīng)用。

四、未來(lái)展望
王君平先生介紹了一些專(zhuān)機(jī)的研制，最右邊那個(gè)圖，現(xiàn)役型號(hào)運(yùn)載火箭的噴管采用管塑螺旋式焊接結(jié)構(gòu)，由幾百根螺旋空管把它焊起來(lái)，現(xiàn)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(guān)鍵零部件國(guó)產(chǎn)化，還有激光器，光纖激光器國(guó)內(nèi)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(xiàn)在大量采用德國(guó)，包括3D打印整機(jī)裝備，選區(qū)裝備國(guó)產(chǎn)化率已經(jīng)非常高了，關(guān)鍵零部件包括3D大幅面的選區(qū)，專(zhuān)機(jī)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(gè)螺旋管術(shù)把它焊接起來(lái)，時(shí)間周期非常長(zhǎng)，如果用3D打印整體打印出來(lái)，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。

解決標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，質(zhì)量管控問(wèn)題，包括原材料，包括可重復(fù)粉末利用，我們廠(chǎng)做了很多工作，形成了很多標(biāo)準(zhǔn)。3D打印無(wú)損檢測(cè)的問(wèn)題，這是大家共同面臨的問(wèn)題，3D打印隨著零件復(fù)雜形狀的增加越來(lái)越不可檢，中間的曲線(xiàn)縱坐標(biāo)是零件復(fù)雜程度，橫坐標(biāo)是零件的檢測(cè)方法，隨著復(fù)雜程度的提高基本上不可減�，F(xiàn)在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不光咱們用，NASA，NDT的做了很多研究，現(xiàn)在對(duì)于復(fù)雜形狀，5類(lèi)形狀的復(fù)雜材料，目前唯一的檢測(cè)方法只有（英：邁克若CT）這個(gè)方法可以檢驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，國(guó)內(nèi)各個(gè)廠(chǎng)家，包括各個(gè)行業(yè)都在制定不同的標(biāo)準(zhǔn)體系，標(biāo)準(zhǔn)如果沒(méi)有，設(shè)計(jì)人員無(wú)從參考，限制了這個(gè)技術(shù)的使用，最右邊那個(gè)圖，我們傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(mǎn)足傳統(tǒng)，所有的邏輯都要跟鍛件比，因?yàn)殄懠�已�?jīng)被傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員所接受了，3D打印有3D打印的組織特征，包括大尺寸結(jié)構(gòu)，送粉打的那個(gè)，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(lái)如何使用的問(wèn)題。

五、結(jié)束語(yǔ)
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(shù)，滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的制造，關(guān)鍵是質(zhì)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(jié)構(gòu)，我們?nèi)绾螐?D打印滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求路很長(zhǎng)，我沒(méi)有畫(huà)路，我畫(huà)的水，真正做3D打印的人跳到這個(gè)海洋里親身經(jīng)歷努力游過(guò)去，未來(lái)共同把3D打印推的更廣，不光在航空航天，在民用，包括汽車(chē)等其他的領(lǐng)域都可以在未來(lái)使用。