2.6 歐洲泰雷茲阿萊尼亞宇航公司、克蘭菲爾德大學(xué)、lenalmond技術(shù)公司增材制造貯箱

由泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）、克蘭菲爾德大學(xué)和Glenalmond技術(shù)公司組成的團(tuán)隊(duì)成功地制造了用于未來(lái)空間探索載人任務(wù)的第一個(gè)全尺寸鈦壓力容器原型。

該壓力容器高約1米，質(zhì)量約8.5千克，由鈦合金（Ti-6Al-4V）制成，采用電弧增材制造（Wire + Arc Additive Manufacturing，WAAM）工藝沉積。由于能夠直接從數(shù)字繪圖到最終結(jié)構(gòu)，WAAM將兩個(gè)獨(dú)立的部分集成到一個(gè)部件中，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間鍛造，并大大減少了機(jī)械加工產(chǎn)生的廢料量。如果按傳統(tǒng)生產(chǎn)，這種組件所需的原材料將是其最終質(zhì)量的30倍左右。采用WAAM工藝，每件產(chǎn)品節(jié)省了超過(guò)200千克的鈦合金（Ti-6Al-4V）。這方面還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，克蘭菲爾德大學(xué)正致力于創(chuàng)新方法，以便更接近最終厚度。在過(guò)去十年中克蘭菲爾德大學(xué)一直處于該工藝的領(lǐng)先地位。

由克蘭菲爾德大學(xué)制造WAAM 殼體結(jié)構(gòu)，然后送到Glenalmond技術(shù)公司進(jìn)行應(yīng)力消除、激光掃描、機(jī)械加工和超聲波檢測(cè)。最終檢驗(yàn)由Agiometrix進(jìn)行，使用計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT-scan）進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量分析，并使用光學(xué)掃描儀。泰雷茲阿萊尼亞宇航公司確保該零件符合機(jī)械要求和規(guī)范。經(jīng)過(guò)檢查，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該壓力容器達(dá)到了應(yīng)用技術(shù)和質(zhì)量要求。

該團(tuán)隊(duì)目前正在著手制造第二個(gè)原型壓力容器，目的是對(duì)整個(gè)制造周期進(jìn)行微調(diào)，以證明該工藝的可重復(fù)性和可靠性，并推動(dòng)新方法實(shí)施應(yīng)用于飛行硬件。

圖 10 歐洲泰雷茲阿萊尼亞宇航公司、克蘭菲爾德大學(xué)、Glenalmond技術(shù)公司增材制造貯箱。

 3. 亟待進(jìn)一步開(kāi)展的關(guān)鍵技術(shù)及研究

盡管近些年國(guó)內(nèi)外均報(bào)道了增材制造航天壓力容器的相關(guān)研究，但仍處于基礎(chǔ)研究階段，距實(shí)際的工程化應(yīng)用仍有很大差距。結(jié)合航天壓力容器產(chǎn)品自身特點(diǎn)，仍需要開(kāi)展進(jìn)一步研究，主要包括以下幾方面：

3.1 支持航天壓力容器結(jié)構(gòu)分析的增材制造材料數(shù)據(jù)庫(kù)

結(jié)構(gòu)分析（強(qiáng)度、剛度）是航天壓力容器研制中最為重要的考核環(huán)節(jié)之一。為了對(duì)增材制造航天壓力容器進(jìn)行有效地結(jié)構(gòu)分析，必須具備對(duì)應(yīng)材料的基礎(chǔ)力學(xué)性能數(shù)據(jù)。因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)均已開(kāi)展了增材制造材料性能的研究和系統(tǒng)收集工作。美國(guó)NGIS公司研究人員基于增材制造工藝的特殊性，對(duì)不同堆積方向上的材料性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)增材制造材料在三個(gè)堆積方向上的材料性能基本相同，即材料性能接近各向同性。這表明增材制造材料性能與構(gòu)建方向無(wú)關(guān)，在任意構(gòu)建方向制造航天壓力容器零部件均是可行的。上述結(jié)論仍需開(kāi)展進(jìn)一步研究進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，NGIS公司通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得多組Ti-6Al-4V增材制造材料拉伸數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同組間的材料力學(xué)性能一致性較好，同時(shí)其優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造Ti-6Al-4V材料的機(jī)械性能。這表明，如果該結(jié)論通過(guò)后續(xù)研究工作得到驗(yàn)證，則可以通過(guò)增材制造工藝得到較傳統(tǒng)制造工藝質(zhì)量更輕的航天壓力容器。

最后，材料性能的過(guò)程監(jiān)控是在航天壓力容器領(lǐng)域應(yīng)用增材制造技術(shù)不可或缺的環(huán)節(jié)。需要注意的是，材料性能不僅因供應(yīng)商而異，而且還可能因設(shè)備和工藝而異。因此，必須對(duì)每個(gè)零部件的供應(yīng)商、具體打印設(shè)備、打印參數(shù)、后處理活動(dòng)和基體粉末成分的可追溯性保持過(guò)程控制。這一過(guò)程控制要求符合工業(yè)公認(rèn)的增材制造零部件標(biāo)準(zhǔn)，包括NASA MSFC-STD-3716 。

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3.2 增材制造航天壓力容器缺陷檢測(cè)技術(shù)攻關(guān)

具備缺陷檢測(cè)能力是研制薄壁航天壓力容器的關(guān)鍵。目前最為常用的缺陷檢測(cè)方法為著色滲透檢測(cè)和射線(xiàn)拍照檢測(cè)。美國(guó)NGIS公司開(kāi)展針對(duì)增材制造航天壓力容器零部件的著色滲透檢測(cè)。研究結(jié)果表明，大部分增材制造零部件可以順利通過(guò)檢測(cè)。盡管通過(guò)金相顯微鏡對(duì)增材制造航天壓力容器零部件橫截面進(jìn)行目視檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)材料組織中存在熔合不足或內(nèi)部孔隙的區(qū)域，但其尺寸和形狀比標(biāo)準(zhǔn)缺陷檢測(cè)的初始缺陷尺寸小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且無(wú)法通過(guò)常規(guī)缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。因此，有必要開(kāi)展針對(duì)增材制造零部件缺陷檢測(cè)方法相關(guān)研究。

3.3 支持?jǐn)嗔蚜�學(xué)分析的斷裂數(shù)據(jù)庫(kù)

斷裂分析是航天壓力容器完整性評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于貯存介質(zhì)（推進(jìn)劑）和航天壓力容器材料的任何組合，都需要獲取對(duì)應(yīng)材料斷裂性能數(shù)據(jù)（應(yīng)力強(qiáng)度因子、斷裂韌性等）。考慮到增材制造航天壓力容器引入了新材料工藝，需要針對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷裂性能數(shù)據(jù)的獲取收集，以支持航天壓力容器設(shè)計(jì)。美國(guó)NGIS公司基于預(yù)制缺口的三點(diǎn)彎曲（SENB）試樣開(kāi)展Ti-6Al-4V增材制造材料和傳統(tǒng)推進(jìn)劑、綠色推進(jìn)劑LMP-103S\AF-M315E等組合的斷裂性能數(shù)據(jù)測(cè)定。

3.4 不同工藝的材料性能一致性評(píng)估

航天壓力容器的最終性能不僅受原材料的影響，還受到制造工藝的影響。可應(yīng)用于航天壓力容器的增材制造工藝種類(lèi)眾多。對(duì)不同的增材制造工藝評(píng)估材料性能一致性是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。然而，獲取材料性能一致性和散差是保持航天壓力容器高可靠性的必要途徑，也是航天壓力容器可靠設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

目前，國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)某一種或幾種增材制造工藝開(kāi)展了相關(guān)材料性能一致性評(píng)估工作。美國(guó)NGIS公司針對(duì)粉末床選區(qū)激光熔融（DMLS）和粉末床電子束熔融（EBM）兩種增材制造工藝進(jìn)行了材料性能一致性評(píng)估。研究結(jié)果表明，上述兩種制造工藝得到的材料性能具有一定的差異。針對(duì)其中一種制造工藝，當(dāng)將3σ標(biāo)準(zhǔn)差與平均標(biāo)稱(chēng)性能進(jìn)行比較時(shí)，可以將可重復(fù)結(jié)果保持在5%之內(nèi)。該條件適用于屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。此外，其評(píng)估結(jié)果還表明增材制造平面內(nèi)和平面外機(jī)械性能之間的散差小于5%，其小于目前傳統(tǒng)鈦合金鍛件性能散差。

3.5 潛在材料脫落（多余物）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

航天壓力容器的內(nèi)表面必須清潔、無(wú)污染，一般均需滿(mǎn)足規(guī)定的潔凈度。圖11表示了兩種制造工藝的航天壓力容器殼體表面對(duì)比。從圖中可以觀察到，與傳統(tǒng)減材制造工藝得到的零部件光滑表面相反，增材制造零部件的表面較為粗糙。如針對(duì)增材制造航天壓力容器零組件表面額外進(jìn)行機(jī)加降低粗糙度，會(huì)增加時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)而降低了增材制造技術(shù)在航天壓力容器領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。因此，為了確保增材制造航天壓力容器不會(huì)對(duì)航天器可靠性造成影響，需要對(duì)增材制造航天壓力容器零部件表面材料脫落風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

圖 11 航天壓力容器殼體表面對(duì)比,（a）增材制造 （b）傳統(tǒng)機(jī)加制造。

美國(guó)NGIS公司開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)增材制造的PMD材料脫落進(jìn)行測(cè)試。振動(dòng)試驗(yàn)前，對(duì)測(cè)試件進(jìn)行了清潔，并記錄了顆粒數(shù)。振動(dòng)試驗(yàn)后再次對(duì)顆粒數(shù)進(jìn)行記錄。兩次顆粒數(shù)的對(duì)比可以量化評(píng)價(jià)增材制造的PMD試驗(yàn)件表面材料顆粒脫落程度。目前該項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中。

 4. 總結(jié)

采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)已成為發(fā)展趨勢(shì)。隨著未來(lái)增材制造相關(guān)技術(shù)難題的解決，航天壓力容器會(huì)向著快速低成本發(fā)展。

(責(zé)任編輯：admin)

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