深度解析：3D打印之高超聲速技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用

組著：林旭斌，王暉娟

高超聲速飛行器是3D打印技術(shù)最重要的突破方向之一。相對(duì)于傳統(tǒng)的航空航天飛行器，高超聲速飛行器在臨近空間/大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間以超過(guò)馬赫數(shù)5的高速持續(xù)飛行，工作環(huán)境惡劣，尤其在彈身/機(jī)身外形局部的氣動(dòng)駐點(diǎn)、激波附著點(diǎn)，以及采用吸氣式動(dòng)力形式的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室等部位，熱環(huán)境尤其嚴(yán)酷，對(duì)零組件材料的耐高溫性能、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能等有著很高要求，同時(shí)對(duì)零組件空間外形、自身重量等也有著苛刻要求。領(lǐng)域在高超聲速技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多，已經(jīng)成為解決高超聲速飛行器制造瓶頸的關(guān)鍵所在。在傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法滿足要求時(shí)，3D打印技術(shù)為其開(kāi)辟了一條全新的道路，以其能夠快速制備具有高材料性能、異形結(jié)構(gòu)、整體特性的零部件特點(diǎn)，在高超聲速飛行器相關(guān)領(lǐng)域得到了愈發(fā)廣泛的應(yīng)用，甚至成為解決一些高超聲速飛行器特殊零部件瓶頸的唯一選擇。

本文以近年來(lái)國(guó)外開(kāi)展的高超聲速相關(guān)制備工作入手，介紹3D打印技術(shù)在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)—結(jié)構(gòu)—材料等多種級(jí)別中的應(yīng)用，并對(duì)其重要性進(jìn)行分析。

一、3D打印技術(shù)在高超聲速分系統(tǒng)層級(jí)產(chǎn)品中的應(yīng)用
美國(guó)軌道ATK公司（Orbital ATK）近日對(duì)一型以3D打印為主要制備方式的高超聲速戰(zhàn)斗部成功進(jìn)行了試爆工作。戰(zhàn)斗部的研發(fā)是軌道ATK公司的主營(yíng)業(yè)務(wù)之一，目前公司在導(dǎo)彈產(chǎn)品部門(mén)設(shè)立的戰(zhàn)斗部開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（Warhead Development Programs）中開(kāi)展了這種自重50磅的戰(zhàn)斗部的研發(fā)工作，目的是獲得一款適用于高超聲速武器的致命性增強(qiáng)型彈藥（LEO）戰(zhàn)斗部。該戰(zhàn)斗部共有五個(gè)主要部件，其中三個(gè)采用3D打印方法制備，占比超過(guò)半數(shù)。軌道ATK公司結(jié)合此前已有的超聲速火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了這種能夠耐受高速帶來(lái)的高溫等環(huán)境的戰(zhàn)斗部的開(kāi)發(fā)。

該型戰(zhàn)斗部采用了異形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)型復(fù)雜，與傳統(tǒng)外形存在較大差異。在2018年2月初啟動(dòng)了設(shè)計(jì)工作后，戰(zhàn)斗部研發(fā)團(tuán)隊(duì)就充分利用了3D打印的優(yōu)勢(shì)，采用了簡(jiǎn)潔并符合工藝要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得制備周期比傳統(tǒng)工藝節(jié)省了至少一個(gè)半月時(shí)間，從而僅用了不到60天就完成了戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)—制備—試驗(yàn)的全流程，實(shí)現(xiàn)了具有代表性的高效研發(fā)。

軌道ATK公司在2018年3月對(duì)這型戰(zhàn)斗部實(shí)施了爆炸試驗(yàn)，這也是該公司第一次對(duì)采用3D打印技術(shù)的戰(zhàn)斗部開(kāi)展試驗(yàn)。試驗(yàn)中，戰(zhàn)斗部從初始懸掛位置成功實(shí)現(xiàn)了爆炸，爆炸后的碎片沖入地下，在起爆點(diǎn)周?chē)�形成了薄金屬碎片散布區(qū)，為評(píng)估爆破對(duì)不同打擊對(duì)象的毀傷效果等工作提供了原始數(shù)據(jù)支撐。
該型戰(zhàn)斗部是目前公開(kāi)資料披露的首個(gè)以3D打印為主要制造手段的高超聲速飛行器分系統(tǒng)產(chǎn)品，其成功制備與試驗(yàn)是高超聲速技術(shù)的一項(xiàng)重要突破，也是高超聲速發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)里程碑。

圖1  軌道ATK公司的高超聲速戰(zhàn)斗部爆炸試驗(yàn)

二、3D打印技術(shù)在高超聲速零部件層級(jí)產(chǎn)品中的應(yīng)用
軌道ATK公司在2016年對(duì)一型通過(guò)3D打印技術(shù)制備的燃燒室進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，該型燃燒室設(shè)計(jì)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，是整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)中難度最高的零部件之一。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流速度高、空氣湍流現(xiàn)象嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒極為困難。對(duì)于燃燒室而言，需要精密的流道尺寸控制來(lái)滿足燃燒狀態(tài)要求，足夠的壁面耐燒蝕性來(lái)維持高速高溫氣流的沖刷，較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)保證內(nèi)部持續(xù)高壓作用下結(jié)構(gòu)完整性；對(duì)采用主動(dòng)冷卻的燃燒室而言，還需要結(jié)構(gòu)留有細(xì)小狹長(zhǎng)的冷卻氣/液流通道，燃燒室結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。這都為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的加工提出了很高要求，即使采用傳統(tǒng)工藝能夠制備，也需要將其分解成數(shù)量眾多的零部件、加工成型后經(jīng)由復(fù)雜裝備得到，由此，復(fù)雜的裝配尺寸鏈傳遞將直接導(dǎo)致相關(guān)零部件需要具備非常高的加工精度，而且加工與裝配消耗的時(shí)間也將導(dǎo)致燃燒室制備周期相對(duì)漫長(zhǎng)，此外大量的零部件裝配勢(shì)必引入較多的附加質(zhì)量，這些無(wú)效質(zhì)量將使整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效推重比降低。而據(jù)軌道ATK公司導(dǎo)彈產(chǎn)品部負(fù)責(zé)人透露，該型燃燒室的制備在幾年前仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)，直至引入3D打印技術(shù)后才得以解決。

這型燃燒室采用了“粉末床熔融”的3D打印方法，通過(guò)打印頭射出的激光將粉末迅速加溫至熔融，這樣軟化的金屬將形成一層微小薄膜狀形態(tài)吸附于底層固基上，通過(guò)多次這種迭代，由薄膜層層堆疊可形成立體結(jié)構(gòu)，通過(guò)激光打印頭控制每次薄膜形成的位置，最終形成所需要的空間立體結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種制備方法，可以使燃燒室一次性整體成型，不僅大幅降低了設(shè)計(jì)與制備難度，而且有效提高了燃燒室的整體性能。

為了測(cè)試粉末床熔融工藝可以達(dá)到的強(qiáng)度，這型燃燒室于2016年在蘭利（Langley）測(cè)試中心進(jìn)行了為期20天的風(fēng)洞測(cè)試，其間對(duì)多個(gè)高超聲速飛行工況進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)中燃燒室工況達(dá)到了前所未有的持續(xù)推進(jìn)時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該型燃燒室成功通過(guò)了全部試驗(yàn)，而沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，甚至在超出預(yù)期實(shí)驗(yàn)條件的情況下仍然保持了良好的狀態(tài)，超額達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，充分說(shuō)明了這種3D打印工藝具有的實(shí)用性。

圖2 HRL實(shí)驗(yàn)室的超燃沖壓燃燒室風(fēng)洞試驗(yàn)

除此之外，反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（REL）采用了3D打印技術(shù)用于生產(chǎn)佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)（Sabre）縮比模型的噴油管，有效降低了制備難度；模型試驗(yàn)件在2015年的點(diǎn)火試驗(yàn)中進(jìn)行了15次成功點(diǎn)火。歐洲將3D打印技術(shù)應(yīng)用于HEXAFLY項(xiàng)目中，制備了一系列試驗(yàn)所用飛行器縮比氣動(dòng)模型，顯著降低了工藝難度與制備周期；在對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行氣動(dòng)載荷下結(jié)構(gòu)變形程度、結(jié)構(gòu)完整性、制備成本、制備周期等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估之后認(rèn)為，這些試驗(yàn)件能夠滿足高超聲速氣動(dòng)試驗(yàn)的需求。ATK公司利用EOS M280型3D打印機(jī)為美國(guó)的高超聲速吸氣武器方案（HAWC）項(xiàng)目第一階段進(jìn)行零部件的制備。美國(guó)在2015年發(fā)布了高速打擊武器（HSSW）項(xiàng)目的技術(shù)成熟項(xiàng)目征詢公告，公告中透露其將考慮采用3D打印技術(shù)進(jìn)行部件制造，以期望達(dá)到減少零部件總數(shù)量、降低制造成本、提高后勤保障能力等要求。

圖3 REL公司的佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)縮比試驗(yàn)件噴油管部件3

三、3D打印技術(shù)在高超聲速材料層級(jí)產(chǎn)品中的應(yīng)用
美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）近期在阿諾德空軍基地（Arnold Air Force Base）的實(shí)驗(yàn)設(shè)施上完成了對(duì)一種3D打印成型的碳氧化硅（SiOC）材料的風(fēng)洞測(cè)試。參與實(shí)驗(yàn)的試件由休斯研究實(shí)驗(yàn)室（HRL Laboratories）提供，該機(jī)構(gòu)下屬的航空宇航系統(tǒng)部（Aerospace Systems Directorate）在2016年創(chuàng)新性提出了3D打印SiOC的方法，以期為高超聲速飛行器提供合適的材料。這種3D打印方法采用一種新研制的預(yù)陶瓷化樹(shù)脂為原料，將該型樹(shù)脂通過(guò)3D打印固化成型，而后在惰性氣體氛圍中加熱至接近1000℃高溫，使材料中的樹(shù)脂充分反應(yīng)、形成完全的陶瓷化狀態(tài)，從而得到需要的陶瓷基復(fù)合材料。

HRL開(kāi)發(fā)的SiOC的3D技術(shù)突破了傳統(tǒng)陶瓷及復(fù)合材料制備的局限性。其中，利用已有的臺(tái)式三維光刻系統(tǒng)設(shè)備將陶瓷前驅(qū)體聚合物逐層打印并固化成所希望的形狀，保證了增材制備的可行性；通過(guò)惰性環(huán)境下的高溫處理使樹(shù)脂材料反應(yīng)形成較高純度的陶瓷，一方面維持了3D打印所得到的外形，另一方面獲得了高性能的陶瓷基復(fù)合材料——采用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法得到的陶瓷在反應(yīng)過(guò)程中內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)大量孔隙，而這種3D打印方法有效避免了孔隙的引入，能夠得到高致密度的陶瓷類材料，從而使材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性、高溫性能等均有了明顯提高——可耐受1400℃高溫環(huán)境不致收縮或開(kāi)裂，強(qiáng)度提高至同等密度陶瓷的10倍，制備速度相比于前期3D打印提高了100~1000倍——因此這種方法得到的構(gòu)件在結(jié)構(gòu)形狀與尺寸上基本不受約束，可以滿足更寬泛的結(jié)構(gòu)需求。

該類SiOC材料具備的優(yōu)秀性能，有望達(dá)到航空器動(dòng)力系統(tǒng)與高超聲速飛行器的大型構(gòu)件，電子設(shè)備與微機(jī)電系統(tǒng)中復(fù)雜部件等的使用要求，目前受到了AFRL的重點(diǎn)關(guān)注。AFRL希望使用這種SiOC材料制備熱輻射防護(hù)罩等功能件，并在2018年與HRL簽訂了一份合作研發(fā)—材料轉(zhuǎn)讓協(xié)議（Cooperative Research and Development – Material Transfer Agreement），協(xié)議指定由HRL提供15個(gè)SiOC圓柱試棒、5個(gè)熱輻射防護(hù)罩等試驗(yàn)件，交付給AFRL進(jìn)行材料考核測(cè)試。

AFRL對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了包括熱處理、材料分析、力學(xué)分析（重點(diǎn)進(jìn)行300~2000℃熱膨脹分析）在內(nèi)的工作，此外阿諾德基地結(jié)合高焓設(shè)備進(jìn)行了材料特性分析。實(shí)驗(yàn)報(bào)告在2018年3月完稿并交給了HRL，用于指導(dǎo)下一代3D打印SiOC陶瓷生產(chǎn)。值得一提的是，測(cè)試過(guò)程中曾將實(shí)驗(yàn)條件提高至預(yù)期線之上，得到極端環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù)，為AFRL與HRL提供了很有價(jià)值的素材。

圖4 HRL實(shí)驗(yàn)室的SIOC試驗(yàn)件風(fēng)洞測(cè)試

3D打印制造方法與傳統(tǒng)的等材制造、減材制造等方法有著本質(zhì)區(qū)別，具有開(kāi)放的創(chuàng)造性、靈活性，潛在適用范圍也更廣泛，同時(shí)加工周期與構(gòu)件整體性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。這令3D打印在一些結(jié)構(gòu)/功能件制備上有著更大潛力，甚至是某些構(gòu)件制備的唯一選擇，在對(duì)材料、結(jié)構(gòu)性能有尤其嚴(yán)苛要求的高超聲速領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)中顯得尤其適合。近年來(lái)3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用的廣泛工程化，使得其可以承擔(dān)的任務(wù)逐漸多樣化，實(shí)現(xiàn)了材料—零部件—分系統(tǒng)等多個(gè)層級(jí)產(chǎn)品的應(yīng)用。

可以預(yù)期，3D打印技術(shù)在零部件快速維修、快速批量生產(chǎn)等方面將體現(xiàn)出無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，為后勤保障工作提供重要保障。此外，隨著制備技術(shù)的成熟、可用材料的增多、材料與結(jié)構(gòu)性能的進(jìn)步，3D打印將對(duì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工程生產(chǎn)中。目前一些高溫性能優(yōu)異的材料只能通過(guò)傳統(tǒng)工藝加工得到，如超高溫陶瓷類、難熔金屬材料等，如果能采用3D打印制備，這些材料將能夠滿足更多結(jié)構(gòu)/功能件的設(shè)計(jì)要求，得到更廣泛的應(yīng)用。尤其重要的是，高超聲速飛行器上諸多地方需要使用價(jià)格昂貴或儲(chǔ)量稀少的材料制備零部件，比如鈦合金、鎳基高溫合金、C/C、C/SiC等，相比于傳統(tǒng)加工普遍存在的90%以上材料被切削掉的現(xiàn)實(shí)情況，3D打印制備方式將能夠顯著提高原材料的利用率，不僅有效降低昂貴材料零部件的制造成本，更能夠有效減少稀缺材料的浪費(fèi)程度。

需要指出的是，目前3D打印仍然存在很多有待發(fā)展與改進(jìn)的地方，比如現(xiàn)有設(shè)計(jì)程序中針對(duì)傳統(tǒng)制造工藝的功能與固化模塊仍然眾多，設(shè)計(jì)人員受傳統(tǒng)思維影響而對(duì)3D打印工藝需要逐漸適應(yīng)與接受過(guò)程，當(dāng)前宏觀材料物理學(xué)工程體系、傳統(tǒng)材料性能檢測(cè)技術(shù)等對(duì)3D打印工藝不盡適合，可以進(jìn)行3D打印材料仍然較少等。3D打印技術(shù)的成熟還有較長(zhǎng)的路程要走，需要經(jīng)歷螺旋式上升的漫長(zhǎng)過(guò)程，才能最終突破不利因素、實(shí)現(xiàn)更全面廣泛的應(yīng)用，為高超聲速飛行器為代表的高新產(chǎn)業(yè)提供關(guān)鍵的支撐。