航天科技第一研究院王福德： 增材制造技术在航天领域的应用与展望

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，到西安现场全程报道。

在“增材制造技术与航空航天论坛”上，航天科技第一研究院王福德做了主题是《增材制造技术在航天领域的应用与展望》的报告。

下面南极熊根据现场速记整理的内容：

内容主要有几部分，一是背景，二是国外增材制造在航天领域的应用；三是国内增材制造研究进展及航天工程应用；四是未来展望；五是结束语。

一、背景
在过去60年，航天制造支撑了航天事业完成了三大里程碑，成为航天事业发展的坚实基础和技术保障，新时期党中央提出了建设航天强国的新目标和新要求，航天制造作为“高、精、尖”制造的代表，是中国制造的重要核心力量，发展发挥好牵引、辐射、带动作用，引领我国制造业的发展。

这个话肯定很多人有意见，中国航天承载了载人航天、北斗导航、深空探测、空间站建设等国家重大工程，型号研制任务重、周期紧，现在我在那个厂也面临很多制造问题，确实存在这个问题，需要新技术的使用和推广。

国外Space X，所谓的商业航天，都在发展低成本的发射，更加需要快速低成本的技术，3D打印确实是一个比较好的技术，能够适应这个形势的发展。这个需求是形势要求、产品新需求和实施途径。

二、国外增材制造在航天领域的应用
国外包括美国，欧盟、欧空局，澳大利亚都搞了增材制造，我们国家也搞，2025里面也有一部分增材制造的东西，我后面主要讲NASA，NASA在很多年以前，80年代末到90年代开始，研究各种各样的3D打印技术，主要在发动机方面，他通过一系列项目的支撑，现在有一个发动机技术，他投入了很多钱做，包括RS25，他做了很多增材制造，包括选区、送粉、电弧、电子束送丝等做了很多技术制造航天零部件。

他当时搞了一个项目：Additive Manufacturing Demonstrator Engine（AMDE）Project，这个航天发动机在氧涡轮泵、氢涡轮泵、喷注器、阀门、喷管、燃烧室都采用增材制造， Demonstrator Engine，这个Engine也试车，很多都在不同阶段都进行试车，包括波段级试车和整机试车他都在做。

每个表里面都详细列出来了，包括喷注器，Injector原来252零件，用6个零件把它打印出来，减少大量零部件的装配，提高了可靠性，包括氢涡轮泵，OTP是氧涡轮泵，以及燃烧室，都采用了大量的3D打印技术。这是它的同位燃烧室，他把燃烧室都装配起来，有的也进行了试车。包括喷注器，Additive Combustion Chambers Assembly，252个零件变成6个零件打印出来，他也做了试车。一氧涡轮泵采用了很多3D打印技术，氢轻涡轮泵也采用了3D打印技术。不同的泵门，因为航天发动机主要有两个涡轮泵，一个氢涡轮泵，氧涡轮泵，燃烧室以及喷管，再就是各种各样的阀门组成，还有一些管路，这几大部件都采用了3D打印技术，包括大喷管，采取了激光送粉技术电弧增材制造技术，和电子束熔增材制造技术，做了很多喷管外壁的制造，内壁采用铜内壁，下面网格结构，内流道结构，外面的蒙皮，这个外壁用激光送丝增材制造技术打印出来，避免了传统采用电铸镍的技术和真空扩散钎焊的技术，提高了它的可靠性，最后他进行了整车的试车。未来它的目标通过这个AMDMA的技术，3D打印会推广，包括核推进和后续商业航天，都采用大量的3D打印技术进行新的航天发动机的推广。

三、国内增材制造研究进展及航天工程应用
介绍一下我们厂的，航天包括有卫星，箭体和发动机，发动机主要是六院，我们211厂有液氢一氧发动机，就是低温发动机在我们厂。这是完整的发动机，带螺旋内流道发动机，我们3D打印进行了流量测试，包括内流道的表面质量，进行了流道测试，已经通过了考核，下一步有机会进行热试车，这是我们打的排气凸锥，当时长五的发动机上一个排气锥，根据NASA，现在新的90发动机的研制，重型运载火箭发动机的研制，我们进行了一体化喷注器的3D打印，喷嘴一体的3D打印，这个都在预研阶段，大零件送粉制造技术我们打了CZ-5B的捆绑支架，CZ-5B新机只有一机，它新机加上四个助推，这个捆绑制作非常大，它连接捆绑新机重要的承力结构，我们最后进行了全件的全应力考核，最后加了两倍载荷，零件变形在许可范围内，今年年底或者明年这个会随着长5B去飞行。

这个为什么这么重要，长5B新机只有一机，它减重，我们把换成TC11，换成钛合金，我们没有通过结构减重，只是材料减重，减重大概40%，它减重了200公斤，长5B捆绑结构减重，这200公斤直接变成200公斤的载荷，这个意义非常重大。

包括我们打了一些中小结构的，包括某型号的尾翼接头，某型号的仪器支架金属骨架，中小结构都在一米左右的零件，中间这个零件是复合制造，下半部分比较复杂的支架采取选区，上面简单采用送粉的制造技术打出来。在电弧大力件结构快速反应，在长11的火箭，长11昨天又发了一发，去年年底没有发，是我们打了一个卫星支架，电弧3D打印唯一通过飞行考核验证的一个零件，通过了真的飞行考核，2018年12月21日通过飞行考核，跟着长11飞行了一下。我们打了一个非常大的铝合金舱段，全部做了无损检测，它的断裂性能可以达到锻造性能的要求，如果传统的方式制造，一般要两三个月，我们这个十来天就做出来了。上一张图是40个小时，这个快返非常快，整个卫星支架，包括配重盘，我们不加班，正常情况下10来天打出来。

这个是重型捆绑，刚才讲长5B的捆绑这个是新型重型火箭捆绑，它的新机直径10米，捆绑5米。我们最近打了一个最右边是氦储罐，直径1米，重型运载火箭有几个低温储罐装液氦，TA7的材料，现在两段正在机加，现在给90发动机打的燃烧室的夹套，高温合金的，那边打了重型运载火箭高温合金的球阀，在预研型号进行了应用。

四、未来展望
王君平先生介绍了一些专机的研制，最右边那个图，现役型号运载火箭的喷管采用管塑螺旋式焊接结构，由几百根螺旋空管把它焊起来，现在如果有大的选区装备，可以把它一体打印，旁边是我们打的缩比件，包括关键零部件国产化，还有激光器，光纤激光器国内也有中小功率，包括大功率，光纤激光器也有，包括整镜，整镜现在大量采用德国，包括3D打印整机装备，选区装备国产化率已经非常高了，关键零部件包括3D大幅面的选区，专机的3D打印，右边直径大端直径大概1米2，高1米4，小端直径大概500多，如果有这么大的装备，零件非常轻，采用几百个螺旋管术把它焊接起来，时间周期非常长，如果用3D打印整体打印出来，大大缩短了产品的研制周期。

解决标准问题，质量管控问题，包括原材料，包括可重复粉末利用，我们厂做了很多工作，形成了很多标准。3D打印无损检测的问题，这是大家共同面临的问题，3D打印随着零件复杂形状的增加越来越不可检，中间的曲线纵坐标是零件复杂程度，横坐标是零件的检测方法，随着复杂程度的提高基本上不可减。现在无损检测技术不光咱们用，NASA，NDT的做了很多研究，现在对于复杂形状，5类形状的复杂材料，目前唯一的检测方法只有（英：迈克若CT）这个方法可以检验。

标准体系的建立，国内各个厂家，包括各个行业都在制定不同的标准体系，标准如果没有，设计人员无从参考，限制了这个技术的使用，最右边那个图，我们传统的设计人员想要锻造的组织，我们3D打印的组织和锻造组织不一样，如何满足传统，所有的逻辑都要跟锻件比，因为锻件已经被传统的设计人员所接受了，3D打印有3D打印的组织特征，包括大尺寸结构，送粉打的那个，包括电弧打的钛合金，损伤熔限不差，但是静态变形比锻件低一些，就是将来如何使用的问题。

五、结束语
我借用了别人的图，AM is a great techeology，if we can make it work。3D打印是非常伟大的技术，满足现代工业设计的制造，关键是质量，还包括管控，左边是我们3D打印得到的组织特征，极端情况下是多孔的，右边都是锻造的组织特征，右下角是锻造，左边是3D打印高温合金，上面是钛合金的组织结构，我们如何从3D打印满足设计的要求路很长，我没有画路，我画的水，真正做3D打印的人跳到这个海洋里亲身经历努力游过去，未来共同把3D打印推的更广，不光在航空航天，在民用，包括汽车等其他的领域都可以在未来使用。