前沿｜3D打印技术在高超声速技术领域有哪些应用？
3D打印技术又称增材制造技术，指运用粉末状可黏合材料，通过逐层添加材料的方法“打印”结构的成型技术。3D打印技术是多种现代科技的集成融合，以信息技术为支撑，综合数模技术、材料科学、化学等领域的前沿技术，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。
3D打印技术起始于二十世纪八十年代，初期智能制造以塑料为材料的小尺寸非成力零部件。近年来随着现代技术的高速发展，增材制造技术应用范围已经扩展到基于多种金属（铝、钛等合金）、非金属材料（陶瓷基复合材料、树脂基复合材料、塑料等）的大型承力（飞行器梁肋）、耐高温构件（发动机燃烧室）等领域，在加工周期、制造成本等方面也有了大幅进步，可以满足批量生产的要求。综合来看，3D打印技术成熟度已达到相对较高程度，可以工程应用。
有别于传统的制造方式，3D打印技术并非通过熔铸或切削方法制备工件，而是通过空间增材方法实现成型，这种独特的成型方式令其具有材质致密度好、复杂空间结构实现性好等优良特性。这种特性使得3D打印技术在一些方面具有天然优势，尤其适合制备接近拓扑优化结果的结构件，实现设计制造一体化融合，得到结构效率更高的轻量化承载结构，这在强调结构重量的航空航天、高端汽车制造等领域具有尤其重要的意义。近年来随着3D打印在这些领域的工程化应用逐渐铺开，其技术成熟度也有了显著提高。
高超声速飞行器是3D打印技术最重要的突破方向之一。相对于传统的航空航天飞行器，高超声速飞行器在临近空间/大气层内长时间以超过马赫数5的高速持续飞行，工作环境恶劣，尤其在弹身/机身外形局部的气动驻点、激波附着点，以及采用吸气式动力形势的发动机进气道、燃烧室等部位，热环境尤其严酷，对零组件材料的耐高温性能、结构的力学性能等有着很高要求，同时对零组件空间外形、自身重量等也有着苛刻要求。领域在高超声速技术相关领域的应用日渐增多，已经成为解决高超声速飞行器制造瓶颈的关键所在。在传统制造技术无法满足要求时，3D打印技术为其开辟了一条全新的道路，以其能够快速制备具有高材料性能、异形结构、整体特性的零部件特点，在高超声速飞行器相关领域得到了愈发广泛的应用，甚至成为解决一些高超声速飞行器特殊零部件瓶颈的唯一选择。
本文以近年来国外开展的高超声速相关制备工作入手，介绍3D打印技术在高超声速技术领域的系统—结构—材料等多种级别中的应用，并对其重要性进行分析。
美国轨道ATK公司（Orbital ATK）近日对一型以3D打印为主要制备方式的高超声速战斗部成功进行了试爆工作。战斗部的研发是轨道ATK公司的主营业务之一，目前公司在导弹产品部门设立的战斗部开发项目（Warhead Development Programs）中开展了这种自重50磅的战斗部的研发工作，目的是获得一款适用于高超声速武器的致命性增强型弹药（LEO）战斗部。该战斗部共有五个主要部件，其中三个采用3D打印方法制备，占比超过半数。轨道ATK公司结合此前已有的超声速火箭发动机与传统战斗部设计与制造经验，实现了这种能够耐受高速带来的高温等环境的战斗部的开发。
该型战斗部采用了异形结构，结构构型复杂，与传统外形存在较大差异。在2018年2月初启动了设计工作后，战斗部研发团队就充分利用了3D打印的优势，采用了简洁并符合工艺要求的结构设计，使得制备周期比传统工艺节省了至少一个半月时间，从而仅用了不到60天就完成了战斗部的设计—制备—试验的全流程，实现了具有代表性的高效研发。
轨道ATK公司在2018年3月对这型战斗部实施了爆炸试验，这也是该公司第一次对采用3D打印技术的战斗部开展试验。试验中，战斗部从初始悬挂位置成功实现了爆炸，爆炸后的碎片冲入地下，在起爆点周围形成了薄金属碎片散布区，为评估爆破对不同打击对象的毁伤效果等工作提供了原始数据支撑。
该型战斗部是目前公开资料披露的首个以3D打印为主要制造手段的高超声速飞行器分系统产品，其成功制备与试验是高超声速技术的一项重要突破，也是高超声速发展过程中的一个里程碑。
图1 轨道ATK公司的高超声速战斗部爆炸测试
轨道ATK公司在2016年对一型通过3D打印技术制备的燃烧室进行了风洞试验，该型燃烧室设计用于超燃冲压发动机，是整个推进系统中难度最高的零部件之一。超燃冲压发动机内部气流速度高、空气湍流现象严重，实现可靠点火与稳定燃烧极为困难。对于燃烧室而言，需要精密的流道尺寸控制来满足燃烧状态要求，足够的壁面耐烧蚀性来维持高速高温气流的冲刷，较高的结构强度来保证内部持续高压作用下结构完整性；对采用主动冷却的燃烧室而言，还需要结构留有细小狭长的冷却气/液流通道，燃烧室结构更加复杂。这都为超燃冲压发动机燃烧室的加工提出了很高要求，即使采用传统工艺能够制备，也需要将其分解成数量众多的零部件、加工成型后经由复杂装备得到，由此，复杂的装配尺寸链传递将直接导致相关零部件需要具备非常高的加工精度，而且加工与装配消耗的时间也将导致燃烧室制备周期相对漫长，此外大量的零部件装配势必引入较多的附加质量，这些无效质量将使整台发动机的有效推重比降低。而据轨道ATK公司导弹产品部负责人透露，该型燃烧室的制备在几年前仍然无法实现，直至引入3D打印技术后才得以解决。
这型燃烧室采用了名为“粉末床熔融”的3D打印方法，以金属粉末为原料，工作时将原料送达激光打印头处，通过打印头射出的激光将粉末迅速加温至熔融，这样软化的金属将形成一层微小薄膜状形态吸附于底层固基上，通过多次这种迭代，由薄膜层层堆叠可形成立体结构，通过激光打印头控制每次薄膜形成的位置，最终形成所需要的空间立体结构。通过这种制备方法，可以使燃烧室一次性整体成型，不仅大幅降低了设计与制备难度，而且有效提高了燃烧室的整体性能。
为了测试粉末床熔融工艺可以达到的强度，这型燃烧室于2016年在兰利（Langley）测试中心进行了为期20天的风洞测试，其间对多个高超声速飞行工况进行了模拟试验，试验中燃烧室工况达到了前所未有的持续推进时长。根据测试结果，该型燃烧室成功通过了全部靠核试验，而没有出现结构失效，甚至在超出预期实验条件的情况下仍然保持了良好的状态，超额达到了设计要求，充分说明了这种3D打印工艺具有的实用性。
图2 HRL实验室的超燃冲压燃烧室风洞测试
除此之外，反应发动机公司（REL）采用了3D打印技术用于生产佩刀发动机（Sabre）缩比模型的喷油管，有效降低了制备难度；模型试验件在2015年的点火试验中进行了15次成功点火。欧洲将3D打印技术应用于HEXAFLY项目中，制备了一系列试验所用飞行器缩比气动模型，显著降低了工艺难度与制备周期；在对试验件进行气动载荷下结构变形程度、结构完整性、制备成本、制备周期等多项指标进行评估之后认为，这些试验件能够满足高超声速气动试验的需求。ATK公司利用EOS M280型3D打印机为美国的高超声速吸气武器方案（HAWC）项目第一阶段进行零部件的制备。美国在2015年的发布了高速打击武器（HSSW）项目的技术成熟项目征询公告，公告中透露其将考虑采用3D打印技术进行部件制造，以期望达到减少零部件总数量、降低制造成本、提高后勤保障能力等要求。
图3 REL公司的佩刀发动机缩比试验件喷油管部件
美国空军实验室（AFRL）近期在阿诺德空军基地（Arnold Air Force Base）的实验设施上完成了对一种3D打印成型的碳氧化硅（SiOC）材料的风洞测试。参与实验的试件由休斯研究实验室（HRL Laboratories）提供，该机构下属的航空宇航系统部（Aerospace Systems Directorate）在2016年创新性提出了3D打印SiOC的方法，以期为高超声速飞行器提供合适的材料。这种3D打印方法采用一种新研制的预陶瓷化树脂为原料，将该型树脂通过3D打印固化成型，而后在惰性气体氛围中加热至接近1000℃高温，使材料中的树脂充分反应、形成完全的陶瓷化状态，从而得到需要的陶瓷基复合材料。
HRL开发的SiOC的3D技术突破了传统陶瓷及复合材料制备的局限性。其中，利用已有的台式三维光刻系统设备将陶瓷前驱体聚合物逐层打印并固化成所希望的形状，保证了增材制备的可行性；通过惰性环境下的高温处理使树脂材料反应形成较高纯度的陶瓷，一方面维持了3D打印所得到的外形，另一方面获得了高性能的陶瓷基复合材料——采用传统的烧结方法得到的陶瓷在反应过程中内部会出现大量孔隙，而这种3D打印方法有效避免了孔隙的引入，能够得到高致密度的陶瓷类材料，从而使材料的硬度、强度、耐磨性、抗腐蚀性、高温性能等均有了明显提高——可耐受1400℃高温环境不致收缩或开裂，强度提高至同等密度陶瓷的10倍，制备速度相比于前期3D打印提高了100~1000倍——因此这种方法得到的构件在结构形状与尺寸上基本不受约束，可以满足更宽泛的结构需求。
该类SiOC材料具备的优秀性能，有望达到航空器动力系统与高超声速飞行器的大型构件，电子设备与微机电系统中复杂部件等的使用要求，目前受到了AFRL的重点关注。AFRL希望使用这种SiOC材料制备热辐射防护罩等功能件，并在2018年与HRL签订了一份合作研发—材料转让协议（Cooperative Research and Development – Material Transfer Agreement），协议指定由HRL提供15个SiOC圆柱试棒、5个热辐射防护罩等试验件，交付给AFRL进行材料考核测试。
AFRL对试验件进行了包括热处理、材料分析、力学分析（重点进行300~2000℃热膨胀分析）在内的工作，此外阿诺德基地结合高焓设备进行了材料特性分析。实验报告在2018年3月完稿并交给了HRL，用于指导下一代3D打印SiOC陶瓷生产。值得一提的是，测试过程中曾将实验条件提高至预期包线之上，得到极端环境下的测试数据，为AFRL与HRL提供了很有价值的素材。
图4 HRL实验室的SiOC试验件风洞测试
3D打印制造方法与传统的等材制造、减材制造等方法有着本质区别，具有开放的创造性、灵活性，潜在适用范围也更广泛，同时加工周期与构件整体性等方面具有显著优势。这令3D打印在一些结构/功能件制备上有着更大潜力，甚至是某些构件制备的唯一选择，在对材料、结构性能有尤其严苛要求的高超声速领域技术研发中显得尤其适合。近年来3D打印技术的迅速发展与应用的广泛工程化，使得其可以承担的任务逐渐多样化，实现了材料—零部件—分系统等多个层级产品的应用。
可以预期，3D打印技术在零部件快速维修、快速批量生产等方面将体现出无可替代的优势，为后勤保障工作提供重要保障。此外，随着制备技术的成熟、可用材料的增多、材料与结构性能的进步，3D打印将对越来越广泛地应用于工程生产中。目前一些高温性能优异的材料只能通过传统工艺加工得到，如超高温陶瓷类、难熔金属材料等，如果能采用3D打印制备，这些材料将能够满足更多结构/功能件的设计要求，得到更广泛的应用。尤其重要的是，高超声速飞行器上诸多地方需要使用价格昂贵或储量稀少的材料制备零部件，比如钛合金、镍基高温合金、C/C、C/SiC等，相比于传统加工普遍存在的90%以上材料被切削掉的现实情况，3D打印制备方式将能够显著提高原材料的利用率，不仅有效降低昂贵材料零部件的制造成本，更能够有效减少稀缺材料的浪费程度。
需要指出的是，目前3D打印仍然存在很多有待发展与改进的地方，比如现有设计程序中针对传统制造工艺的功能与固化模块仍然众多，设计人员受传统思维影响而对3D打印工艺需要逐渐适应与接受过程，当前宏观材料物理学工程体系、传统材料性能检测技术等对3D打印工艺不尽适合，可以进行3D打印的材料仍然较少等。3D打印技术的成熟还有较长的路程要走，需要经历螺旋式上升的漫长过程，才能最终突破不利因素、实现更全面广泛的应用，为高超声速飞行器为代表的高新产业提供关键的支撑。
本文转自《战术导弹技术》2018年第4期
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