航天壓力容器領域的增材制造技術應用與發展(2)
2.6 歐洲泰雷茲阿萊尼亞宇航公司、克蘭菲爾德大學、lenalmond技術公司增材制造貯箱
由泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）、克蘭菲爾德大學和Glenalmond技術公司組成的團隊成功地制造了用于未來空間探索載人任務的第一個全尺寸鈦壓力容器原型。
該壓力容器高約1米，質量約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。由于能夠直接從數字繪圖到最終結構，WAAM將兩個獨立的部分集成到一個部件中，無需長時間鍛造，并大大減少了機械加工產生的廢料量。如果按傳統生產，這種組件所需的原材料將是其最終質量的30倍左右。采用WAAM工藝，每件產品節省了超過200千克的鈦合金（Ti-6Al-4V）。這方面還有進一步改進的空間，克蘭菲爾德大學正致力于創新方法，以便更接近最終厚度。在過去十年中克蘭菲爾德大學一直處于該工藝的領先地位。
由克蘭菲爾德大學制造WAAM 殼體結構，然后送到Glenalmond技術公司進行應力消除、激光掃描、機械加工和超聲波檢測。最終檢驗由Agiometrix進行，使用計算機斷層掃描（CT-scan）進行內部質量分析，并使用光學掃描儀。泰雷茲阿萊尼亞宇航公司確保該零件符合機械要求和規范。經過檢查，項目團隊認為該壓力容器達到了應用技術和質量要求。
該團隊目前正在著手制造第二個原型壓力容器，目的是對整個制造周期進行微調，以證明該工藝的可重復性和可靠性，并推動新方法實施應用于飛行硬件。
圖 10 歐洲泰雷茲阿萊尼亞宇航公司、克蘭菲爾德大學、Glenalmond技術公司增材制造貯箱。
3. 亟待進一步開展的關鍵技術及研究
盡管近些年國內外均報道了增材制造航天壓力容器的相關研究，但仍處于基礎研究階段，距實際的工程化應用仍有很大差距。結合航天壓力容器產品自身特點，仍需要開展進一步研究，主要包括以下幾方面：
3.1 支持航天壓力容器結構分析的增材制造材料數據庫
結構分析（強度、剛度）是航天壓力容器研制中最為重要的考核環節之一。為了對增材制造航天壓力容器進行有效地結構分析，必須具備對應材料的基礎力學性能數據。因此，國內外相關機構均已開展了增材制造材料性能的研究和系統收集工作。美國NGIS公司研究人員基于增材制造工藝的特殊性，對不同堆積方向上的材料性能進行了測試。測試結果發現增材制造材料在三個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建方向無關，在任意構建方向制造航天壓力容器零部件均是可行的。上述結論仍需開展進一步研究進行驗證。
此外，NGIS公司通過拉伸試驗測得多組Ti-6Al-4V增材制造材料拉伸數據，發現不同組間的材料力學性能一致性較好，同時其優于傳統鍛造Ti-6Al-4V材料的機械性能。這表明，如果該結論通過后續研究工作得到驗證，則可以通過增材制造工藝得到較傳統制造工藝質量更輕的航天壓力容器。
最后，材料性能的過程監控是在航天壓力容器領域應用增材制造技術不可或缺的環節。需要注意的是，材料性能不僅因供應商而異，而且還可能因設備和工藝而異。因此，必須對每個零部件的供應商、具體打印設備、打印參數、后處理活動和基體粉末成分的可追溯性保持過程控制。這一過程控制要求符合工業公認的增材制造零部件標準，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技術攻關
具備缺陷檢測能力是研制薄壁航天壓力容器的關鍵。目前最為常用的缺陷檢測方法為著色滲透檢測和射線拍照檢測。美國NGIS公司開展針對增材制造航天壓力容器零部件的著色滲透檢測。研究結果表明，大部分增材制造零部件可以順利通過檢測。盡管通過金相顯微鏡對增材制造航天壓力容器零部件橫截面進行目視檢測時發現材料組織中存在熔合不足或內部孔隙的區域，但其尺寸和形狀比標準缺陷檢測的初始缺陷尺寸小幾個數量級，并且無法通過常規缺陷檢測技術進行檢測。因此，有必要開展針對增材制造零部件缺陷檢測方法相關研究。
3.3 支持斷裂力學分析的斷裂數據庫
斷裂分析是航天壓力容器完整性評價的重要環節。對于貯存介質（推進劑）和航天壓力容器材料的任何組合，都需要獲取對應材料斷裂性能數據（應力強度因子、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，需要針對這一結構進行斷裂性能數據的獲取收集，以支持航天壓力容器設計。美國NGIS公司基于預制缺口的三點彎曲（SENB）試樣開展Ti-6Al-4V增材制造材料和傳統推進劑、綠色推進劑LMP-103S\AF-M315E等組合的斷裂性能數據測定。
3.4 不同工藝的材料性能一致性評估
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。可應用于航天壓力容器的增材制造工藝種類眾多。對不同的增材制造工藝評估材料性能一致性是一項重大挑戰。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計的關鍵因素。
目前，國內外各研究機構針對某一種或幾種增材制造工藝開展了相關材料性能一致性評估工作。美國NGIS公司針對粉末床選區激光熔融（DMLS）和粉末床電子束熔融（EBM）兩種增材制造工藝進行了材料性能一致性評估。研究結果表明，上述兩種制造工藝得到的材料性能具有一定的差異。針對其中一種制造工藝，當將3σ標準差與平均標稱性能進行比較時，可以將可重復結果保持在5%之內。該條件適用于屈服強度和極限強度。此外，其評估結果還表明增材制造平面內和平面外機械性能之間的散差小于5%，其小于目前傳統鈦合金鍛件性能散差。
3.5 潛在材料脫落（多余物）風險評價
航天壓力容器的內表面必須清潔、無污染，一般均需滿足規定的潔凈度。圖11表示了兩種制造工藝的航天壓力容器殼體表面對比。從圖中可以觀察到，與傳統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。如針對增材制造航天壓力容器零組件表面額外進行機加降低粗糙度，會增加時間和經濟成本，進而降低了增材制造技術在航天壓力容器領域的應用價值。因此，為了確保增材制造航天壓力容器不會對航天器可靠性造成影響，需要對增材制造航天壓力容器零部件表面材料脫落風險進行量化評價。
圖 11 航天壓力容器殼體表面對比,（a）增材制造 （b）傳統機加制造。
美國NGIS公司開展振動試驗對增材制造的PMD材料脫落進行測試。振動試驗前，對測試件進行了清潔，并記錄了顆粒數。振動試驗后再次對顆粒數進行記錄。兩次顆粒數的對比可以量化評價增材制造的PMD試驗件表面材料顆粒脫落程度。目前該項工作仍在進行中。
4. 總結
采用增材制造技術生產已成為發展趨勢。隨著未來增材制造相關技術難題的解決，航天壓力容器會向著快速低成本發展。
(責任編輯：admin)
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