超600mm直徑大尺寸銅合金3D打印方案FS621M-Cu，華曙高科攜手首都航天機械聯(lián)合推出

純銅及銅合金因其卓越的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和韌性，在航空、航天發(fā)動機燃燒室部件的制造中得到了廣泛應(yīng)用。然而，它們對近紅外激光（例如波長為1064nm的激光）的高反射率特性，是銅金屬3D打印領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。

華曙高科憑借雄厚的研發(fā)實力和豐富的工藝創(chuàng)新能力，早在2016年就在FS271M的平臺上突破了青銅打印工藝，成為國內(nèi)首批具備銅合金3D打印能力的企業(yè)。

2023年，首都航天機械有限公司攜手華曙高科，基于大尺寸金屬增材制造解決方案FS621M，聯(lián)合研發(fā)出行業(yè)內(nèi)少有的銅合金打印大尺寸、專業(yè)級增材制造設(shè)備FS621M-Cu，該款設(shè)備配置4臺1000W摻鐿 (Yb) 激光器，激光器波長1060-1080nm，進一步突破了CuCrZr等高反材料大型工件長時間穩(wěn)定打印課題。

2023年8月，首都航天機械有限公司采用該款設(shè)備成功實現(xiàn)某型火箭發(fā)動機推力室身部內(nèi)壁試驗件的增材制造，該產(chǎn)品直徑達600毫米量級，高度達850毫米量級，是目前公開報道過的最大的整體增材制造銅合金身部產(chǎn)品。
其成功研制也標志著首都航天機械有限公司成為國內(nèi)首批全面掌握大尺寸鉻鋯銅合金激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)的單位。該技術(shù)突破填補了國內(nèi)增材制造技術(shù)領(lǐng)域的空白，助力發(fā)動機生產(chǎn)跑出創(chuàng)新“加速度”。


制造難點：推力室結(jié)構(gòu)復(fù)雜周期長
推力室是液體火箭發(fā)動機的核心，在極端溫度、壓力、振動和氧化環(huán)境下運行，是液體火箭發(fā)動機中最復(fù)雜、制造難度最大、制造周期最長的部件。推力室通常采用夾層流道設(shè)計，利用再生冷卻方法，在發(fā)動機工作循環(huán)中使用推進劑來整體冷卻推力室側(cè)壁，同時又可保持足夠的壁溫來加熱推進劑，從而提高噴注效果。

采用增材制造方法可大大簡化推力室身部的制造過程，實現(xiàn)銅合金內(nèi)襯封閉式溝槽通道結(jié)構(gòu)一體成形，達到優(yōu)化冷卻通道幾何結(jié)構(gòu)，增強換熱性能，提高發(fā)動機整體性能的效果。相比傳統(tǒng)旋壓+機加+釬焊方案，這種制造成本降低75%，并大幅縮短研發(fā)周期。

銅基合金對激光的吸收率主要取決于環(huán)境條件，粉末表面條件，熔池溫度，特別是激光波長。此外，銅合金導(dǎo)熱系數(shù)高、熱梯度大、散熱快，在加工過程中還易造成沉積層的分層和卷曲，因此采用增材制造方法制造銅合金具有挑戰(zhàn)性。

解決方案：實現(xiàn)高反材料穩(wěn)定打印
FS621M是華曙高科于2020年推出的大尺寸金屬增材制造系統(tǒng)，其具有620*620*1100mm的成形缸（含基板），4激光或6激光配置，經(jīng)市場端多年驗證，累計銷量已超80臺，在同類產(chǎn)品的市場占有率保持領(lǐng)先，持續(xù)助力航空航天、汽車等制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

為滿足銅合金打印需求，首都航天機械有限公司對FS621M進行了專門的優(yōu)化與升級。在華曙高科的協(xié)助下，對成形腔室進行了防反射處理、搭載了全域智能熱量管理系統(tǒng)、配置了1000W×4的高功率激光器；基于實踐打印經(jīng)驗，首都航天機械有限公司還特別開發(fā)了一整套高效率的工藝參數(shù)。通過這些措施，成功解決了高反材料的打印難點，推出專門針對銅合金的大尺寸設(shè)備FS621M-Cu，該設(shè)備特別適用于CuCrZr等高反材料的長時間穩(wěn)定打印。
經(jīng)過測試，F(xiàn)S621M-Cu所制備的試塊密度成功達到了8.86g/cm³及以上。通過金相顯微鏡對試塊內(nèi)部組織的細致觀察，結(jié)果顯示其結(jié)構(gòu)非常致密，且在整個幅面范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)任何尺寸超過60μm的孔洞。

與此同時，對打印出的拉伸試棒進行了沉積態(tài)下的力學(xué)性能測試，結(jié)果顯示其力學(xué)性能綜合表現(xiàn)優(yōu)異。另外，對打印的測試樣塊還進行了導(dǎo)熱性測試，測試結(jié)果表明，在常溫下，該樣塊的導(dǎo)熱系數(shù)不低于345[W/(m·K)]，熱擴散系數(shù)不小于95（mm²/s），比熱容則大于或等于0.35[J/(g·K)]。

為確保火箭發(fā)動機推力室身部槽道結(jié)構(gòu)尺寸精度，提高一次打印成功率，首都航天機械有限公司截取零件典型局部進行打印驗證，并對槽道進行拋光處理，減少壓降，提高發(fā)動機性能，經(jīng)驗證后最終成功打印出推力室整體零件。對推力室身部流道結(jié)構(gòu)進行X光掃描，可以看出其流道特征結(jié)構(gòu)清晰、尺寸均勻，粉末清理徹底，成品品質(zhì)優(yōu)異。

2023年，首都航天機械有限公司增材團隊已完成銅合金粉末質(zhì)量控制、銅合金激光選區(qū)成形工藝優(yōu)化等一整套技術(shù)研究，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了鉻鋯銅合金激光選區(qū)熔化增材制造的技術(shù)突破。采用該技術(shù)制造的產(chǎn)品性能較設(shè)計指標提高50%以上，成形零件尺寸精度大幅提升，且生產(chǎn)周期縮短至驚人的15至20天，成本較傳統(tǒng)生產(chǎn)模式明顯降低。

AMPOWER曾預(yù)測，至2027年銅合金的年增長率將達46.6%。秉承持續(xù)創(chuàng)新推動增材制造產(chǎn)業(yè)化理念，華曙高科將持續(xù)進行研發(fā)創(chuàng)新，精益求精，用增材制造技術(shù)為人類實現(xiàn)奔赴星辰大海的夢想提供更多可能。