异形毛细结构喷注器激光选区熔化成形技术分析.pdf
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1、收稿日期:修回日期:基金项目:国防科工局基础科研课题()作者简介:蔡佳欣()男硕士研究领域为激光增材制造技术、液体火箭发动机制造 第 卷第 期 年 月火 箭 推 进 异形毛细结构喷注器激光选区熔化成形技术分析蔡佳欣白 静杨欢庆王 迎(西安航天发动机有限公司陕西 西安 国防科技工业航天特种构件增材制造技术创新中心陕西 西安)摘要 异形毛细喷注器是姿控发动机的核心组件此类构件对流道内表面质量要求极高 为了实现激光选区熔化成形技术推广应用于上述产品以达到型号产品快速研制的目的以异形毛细微孔流道表面质量为研究对象利用激光超景深显微镜研究了不同成形角度下小孔表面形貌特征、表面粗糙度的变化规律确定了异形毛
2、细结构的成形角度在 范围内成形构件上、下表皮表面质量均良好 基于异形毛细结构表面光整技术研究实现了异形毛细结构的均匀光整尺寸精度达 表面粗糙度小于 通过液流试验验证了激光选区熔化成形某喷注器液流性能实现了异形毛细结构姿控喷注器的高性能一体化成形关键词 激光选区熔化成形成形角度表面形貌表面光整化学铣切中图分类号 文献标识码 文章编号()()引言喷注器是姿控发动机的核心组件其功能是使推进剂按一定流量和混合比进入燃烧室雾化、混合和燃烧其整体结构呈莲蓬式由法兰盘、喷注盘、隔热框和多根异形毛细喷注管等组成 异形毛细管外径为 内径 长径比 呈空间异形扭曲结构其成形表面质量、成形精度直接影响发动机性能要求管
3、径尺寸精度在 范围内成形表面粗糙度小于 激光选区熔化成形技术(技术)通过激光高能束实现金属粉末的逐点、逐线、逐面叠加可实现复杂零件的高致密度一体化成形在国内外航天领域已开始了一系列工程应用 但是目前选区激光熔化成形表面粗糙度一般在 范围内成形精度偏差在 范围内针对异形毛细喷注管结构等精细特征高精度成形技术未获得突破限制了选区激光熔化成形技术在姿控发动机毛细结构喷注器上的研制生产针对异形毛细喷注管结构的高质量 成形刘洋研究了成形角度为 和 时孔的成形精度及形成形状误差的机理通过总结成形件表面形貌特征提出了一系列衡量圆孔成形质量的评价参数杨雄文等研究了 直径范围内水平孔与竖直孔的孔径变化规律并将圆
4、孔直径的绝对误差与相对误差改变原因进行了分析 等研究了 成形 和 合金不同形状、成形角度下的孔的表面质量从成形材料角度对微孔表面质量进行了比较分析 另外金属增材制造技术所特有的“阶梯效应”“球化效应”“粉末包覆”等问题使得成形表面粗糙度较高显著影响喷注器压降和雾化效果等功能性指标因此表面光整技术的研究也十分重要目前针对金属增材制造构件的表面光整技术包括化学铣削抛光、电化学抛光及磁力研磨光整技术等但关于异形毛细结构的表面光整技术的相关研究仍较为匮乏 针对 成形构件的表面处理欧洲空客防卫与航天公司对 发动机喷注器喷嘴、燃料/氧化剂通道上 的圆孔进行基于 工艺的重新设计优化并依次进行了单喷嘴液流试验
5、、试件点火试验及全尺寸液流试验(见图)形成了 一体化高质量成形喷注器结构图 成形 发动机喷注器测试过程.本文以喷注器异形毛细喷注管表面质量为研究对象利用激光超景深显微镜研究了不同成形角度下小孔表面形貌特征、表面粗糙度的变化规律在获得最佳成形角度基础上通过异形毛细结构表面光整技术研究实现了异形毛细结构的均匀光整提升其表面质量 通过液流试验验证了激光选区熔化成形某喷注器液流性能实现了异形毛细结构姿控喷注器的高性能一体化成形 加工条件 加工设备及材料本文激光选区熔化成形所用设备为 型激光选区熔化成形设备(见图)设备装配一台 型光纤激光器(光斑直径 波长 最大输出功率 )成形幅面为第 卷 第 期 蔡佳
6、欣等:异形毛细结构喷注器激光选区熔化成形技术分析 实验所用 不锈钢粉末各元素质量分数检测结果如表 所示粉末形貌及粒度分布如图 所示 粉末使用前将粉末置于真空干燥箱内进行 烘干处理以除去粉末中吸附的水分防止粉末在铺粉时产生团聚现象影响铺粉质量 基板材质为不锈钢成形前对基板表面喷砂毛化 激光选区熔化成形过程中使用纯度为 的氩气作为保护气体并且始终保证氧含量在 以下图 型激光选区熔化成形设备.表 不锈钢粉末各元素质量分数 单位:()()()()()()()()余量图 不锈钢粉末形貌和粒度分布.模型设计及实验方法以液体火箭发动机喷注器中的典型喷注孔径 的小孔为研究对象设计如图 所示的小孔模型单元其成形
7、角度(小孔轴线与成形平台夹角)分别为、小孔结构成形工艺参数如表 所示 成形后沿各成形角度方向将小孔试样块均分为上下两部分 上部分小孔内表面为下表皮采用下表皮的成形工艺参数下部分小孔内表面为上表皮采用上表皮的成形工艺参数图 不同成形角度小孔模型结构示意图.火 箭 推 进 年 月 采用激光超景深显微镜观察小孔结构上下表皮的表面形貌并测量其对应的粗糙度测量精度为 测量 次取平均值表 小孔结构成形工艺参数 区域激光功率/扫描速度/()扫描间距/内填充 外圈上表皮 下表皮 结果与讨论 小孔结构表面形貌特征随着成形角度的变化()小孔结构下表皮及上表皮的表面形貌呈现不同的变化趋势不同成形角度下小孔宏观形貌见
8、图 小孔结构下表皮表面形貌如图 所示 当成形角度为 时下表皮区域发生严重的挂渣塌陷现象表面分布大量大尺寸的挂渣塌陷颗粒()当成形角度为 时表面分布有少量大尺寸挂渣塌陷颗粒及大量小尺寸挂渣塌陷颗粒()当成形角度达到时小孔结构下表皮的挂渣塌陷颗粒基本消失分布有飞溅颗粒()及半熔化金属粉末颗粒当角度进一步从 增大到时表皮分布的飞溅颗粒尺寸及数量进一步减小()当成形角度为 时表面主要分布为半熔化金属粉末颗粒()飞溅颗粒基本消失小孔结构上表皮呈现与下表皮不同的表面形貌如图 所示 当成形角度为 时成形表面光滑几乎没有黏附的颗粒物可看到原始的扫描线痕迹随着成形角度的增加小孔表面逐渐开始黏附未完全熔化的金属粉
9、末颗粒且成形角度越大黏附的粉末颗粒物越多到 时达到稳定图 不同成形角度下小孔宏观形貌.图 不同成形角度小孔下表皮表面粗糙度形貌.第 卷 第 期 蔡佳欣等:异形毛细结构喷注器激光选区熔化成形技术分析 图 不同成形角度小孔上表皮表面粗糙度形貌.小孔结构上、下表皮之所以呈现不同的表面形貌且其随成形角度的增加呈现不同的变化趋势主要是因为 成形过程中不同成形角度上、下表皮的位置及状态不同 对于下表皮其悬垂结构的生长支撑为部分已成形实体和松装粉末由于激光深穿透作用在松装粉末上方的金属溶液在重力和毛细力作用下下垂产生挂渣塌陷现象当角度为 时下表皮悬垂结构生长支撑完全为松装粉末故挂渣塌陷最明显所以表面形成大量
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