5 激光快速成形技术在液体火箭发动机上的应用前景
随着对液体火箭发动机要求的不断提高,液体火箭发动机向高推质比、轻量化和高可靠性的方向发展。越来越多零组件采用钛合金、高温合金、高强钢等难加工材料,核心部件呈现复杂、薄壁、多功能、整体化和轻质化新特征,为发动机的研制与生产带来了巨大的困难,采用传统金属零件去材制造方法存在工序多、成本高、从设计到零件制造周期长等问题,难以满足新产品的快速响应制造需求。部分复杂精密构件甚至无法用现有的工艺方法完成加工,只有通过修改设计方案以适应制造工艺,影响了发动机的整体性能。激光快速成形技术可直接制备出形状复杂、尺寸精度高、组织结构致密、性能稳定的金属构件,在液体火箭发动机产品的制造上具有潜在的应用前景。
5.1 复杂薄壁壳体类
液体火箭发动机泵与阀的壳体大多为薄壁多层复杂结构,图1为几种典型的壳体类产品。这类产品壁厚较薄,内腔形状复杂,盲腔死腔多,无法采用传统机械加工、电加工等方案成形,精密铸造技术虽能解决该类产品的加工制造难题,但内部质量控制难度大,容易出现成分偏析、缩孔、缩松、裂纹、浇不足等缺陷,成品率较低,成本较高,交货周期很难保证,一直是制约发动机研制生产的瓶颈。激光快速成形技术不受构件复杂程度的影响,且成形构件组织致密,性能优异,在该类产品的成形上具有独特的优势。
图1 发动机典型的壳体类产品
5.2 扭曲叶片类
为提高发动机性能,发动机上轮盘类产品大多采用复杂扭曲叶片结构,如泵叶轮、涡轮盘、涡轮静子等(见图2)。该类产品叶片型面复杂,流道狭窄,机械加工难度大。目前,轮盘类产品的成形工艺主要有2 种,一种是铸造成形,另一种是电火花成形。然而,铸造工艺存在产品缺陷多、强度低,且叶形尺寸精度不满足设计要求的问题;电火花成形的产品叶形精度虽可满足设计要求,但加工周期长、效率低、成本高,如完成一个涡轮盘叶片电火花加工需要8 套电极10 个工步。采用激光快速成形技术可避免上述问题的发生,适用于该类产品的成形。
图2 发动机典型的轮盘类产品