CN110586937B - 民用火箭发动机金属燃烧室的3d打印方法 - Google Patents

民用火箭发动机金属燃烧室的3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，包括：确定燃烧室摆放方式以及燃烧室底部添加余量，然后按照金属燃烧室零件STL文件的打印程序操作，在打印用基板上预铺一层发动机燃烧室材料的金属粉末；步骤b：发射具有第一设置能量的激光，以成型发动机金属燃烧室带双进料流道的底部；发射具有第二设置能量的激光，成型连接底部的格栅状；发射具有第三设置能量的激光，以使得发动机燃烧室的所有结构内外表面光滑；在上一层金属粉末选择区域熔化结束后，继续铺上一层相同厚度的粉末，并继续按顺序执行，直到按照金属燃烧室零件STL文件的打印程序完成。本发明可以制造出更利于异种燃料混合燃烧的火箭发动机燃烧室，结构内外表面光滑。

Description

民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法
背景技术
民用火箭发动机燃烧室是火箭发动机的重要部件之一，燃烧室为推进剂装药提供了贮存和燃烧的场所。目前，火箭发动机燃烧室的机械结构在设计上受限于传统的加工制造方法，使得异种燃料不能充分混合燃烧而不得不携带更多的燃料，提高了民用火箭使用成本了降低了经济效益，缩小了应用领域。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中民用火箭发动机金属燃烧室的技术问题，提出提供一种民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，为使得异种燃料在燃烧室内更加充分的混合燃烧，将燃烧室的机械结构做了拓扑结构优化为格栅状并满足金属3D打印要求。利用金属3D打印，制造出更利于异种燃料混合燃烧的火箭发动机燃烧室，提高民用火箭的经济效益，扩大民用火箭的应用领域。
根据本发明的改进所采用的技术方案如下：
一种民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，包括：
步骤a：确定燃烧室摆放方式和燃烧室底部添加余量，然后按照金属燃烧室零件STL文件的打印程序操作，在打印用基板上预铺一层发动机燃烧室材料的金属粉末；
步骤b：发射具有第一设置能量的激光，激光功率270-290W，扫描速度900-1000mm/s,对所述打印平台上的该层金属粉末进行选区激光熔化，以成型发动机金属燃烧室带双进料流道的底部；
步骤c：发射具有第二设置能量的激光，激光功率140-160W，扫描速度550-650mm/s,对所述打印平台上的该层金属粉末进行选区激光熔化，以成型连接底部的格栅状，用于异种燃料混合的燃烧区；
步骤d：发射具有第三设置能量的激光，激光功率135-140W，扫描速度350-400mm/s,对燃烧区实体进行1-3层轮廓熔化处理，以使得所述的发动机燃烧室的所有结构内外表面光滑，无需其他后处理；
步骤e：在上一层金属粉末选择区域熔化结束后，继续铺上一层相同厚度的粉末，并继续按顺序执行步骤b，c，d，直到按照金属燃烧室零件STL文件的所有打印程序完成。
进一步地，所述第三设置能量的激光对燃烧区实体进行1-3层轮廓熔化处理的步骤包括：
将燃烧区的外轮廓设置为1-3层，并对每一层发射具有第三设置能量的激光进行熔化，使得所述的发动机燃烧室的所有结构内外表面光滑，无需其他后处理；
然后发射具有第四设置能量的激光对所述发动机燃烧室的外轮廓1-3层搭接部分进行熔化。
进一步地，燃烧区内部格栅状结构厚度被设置小于1.5mm，打印策略选择线形策略进行扫描，并发射第二设置能量值的激光，形成质量要求的燃烧室内格栅状结构。
进一步地，火箭发动机燃烧室底部含有两个异种燃料的进料孔，两个孔的直径不足3mm，在模型处理过程中不需要在进料孔内添加任何支撑，使用第一设置能量的激光对所述打印平台上的这一层金属粉末进行选区激光熔化，以成型发动机金属燃烧室的底部，打印后的发动机金属燃烧室的底部与打印用基板连接。
进一步地，还包括：预热所述打印用基板，加热温度为小于等于100℃，增强首层粉末在烧结过程中与基板的结合，并且在打印过程中，对基板的加热不中断。如此，通过3D打印装备对基板的加热，加热温度为60-100℃，可以有效的增强首层粉末在烧结过程中与基板的结合程度。所述的火箭发动机燃烧室打印过程是在所述的基板上完成的。所述的对基板加热过程，在火箭发动机燃烧室零件的打印过程中不中断。这有效的避免了因为热胀冷缩而导致层厚发生改变。
进一步地，所述基板为铁基材料基板。
进一步地，所述3D打印过程在惰性气氛环境中进行，惰性气体为Ar气；所述的惰性气体环境水氧含量值小于等于1000ppm。在所述的惰性气氛环境中进行燃烧室打印可以保证打印质量不受影响。
优选地，每一层民用火箭发动机燃烧室金属粉末的打印厚度为30-50um。
优选地，民用火箭发动机燃烧室零件金属打印用粉末为镍基高温合金粉末。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法的流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
如图1所示，图1是本发明民用火箭发动机金属燃烧室3D打印方法的流程示意图。该3D打印方法包括以下步骤：
步骤101：生成金属燃烧室零件STL文件。
应理解，STL文件是一种三角面片文件，其特点是数据量小方便实现路径规划数据，只需要将建立要的阀体三维模型数据直接存储为STL文件即可，三角面片的旋转角度不能高于10°才能保证打印出来的零件圆滑，没有棱角。
步骤102：选择燃烧室摆放方式。
应理解，燃烧室的结构设计是通过拓扑结构优化得到的，因此内部无需添加任何支撑，直接选择燃烧室底部向下即可。
步骤103：燃烧室底部添加余量。
应理解，由于燃烧室底部与基板相连。为了保证线切割处理后阀体结构尺寸不受影响，需要对阀体底部添加不少于0.2mm余量。
下面结合图1所示，更加具体地描述根据STL文件进行打印处理的操作。
步骤a：在打印用基板上预铺一层发动机燃烧室材料的金属粉末。
应理解，在本实施例中，每一层金属打印粉末的厚度为30-50um(微米)。应理解，某些3D打印装备允许将铺粉层厚设置为30um以下，如25um或20um。但是考虑目前粉末的粒度范围在0-53um，所以选择30-50um层厚可以更好的保证3D打印质量，如致密度。
不同的3D打印装备所应用的粉末粒度是不同的，如选择0-53um粒度范围、15-45um粒度范围。选择不同粉末粒度，需要同时调整相应的铺粉层厚，以满足3D打印质量要求。
本发明所使用的打印金属粉末为镍基高温合金粉末。
步骤b：发射具有第一设置能量的激光，激光功率270-290W，扫描速度900-1000mm/s,对所述打印平台上的该层金属粉末进行选区激光熔化，以成型发动机金属燃烧室带双进料流道的底部。
应理解，按照传统设计方式，燃烧室流道是单独制造并通过焊接工艺和燃烧室连接成为一个整体，现在通过3D打印工艺将燃烧室的流道和燃烧室整体制造，省去其他工艺，降低多种工艺配合加工带来的制造问题。
具体的，在本实施例中，发射具有第一设置能量的激光对所述打印平台上的该层金属粉末进行选区激光熔化，以成型发动机金属燃烧室带双进料流道的底部的步骤包括：在前处理过程中，流道内部不添加任何支撑结构，利用第一设置能量的激光直接成型双进料流道。
流道内部不添加任何支撑结构，利用第一设置能量的激光直接成型双进料流道。因此，3D打印结束后，要第一时间对流道内的残余粉末进行清理，避免因后续的其他处理过程导致流道阻塞问题。
步骤c：发射具有第二设置能量的激光，激光功率140-160W，扫描速度550-650mm/s,对所述打印平台上的该层金属粉末进行选区激光熔化，以成型连接底部的格栅状用于异种燃料混合的燃烧区。
应理解，将民用火箭发动机燃烧内部拓扑优化成更利于异种燃料混合的结构，同时该设计还能满足3D打印要求，利用3D打印方法直接成型燃烧室。
具体的，利用拓扑设计软件将燃烧室的内部结构进行优化，优化结果要满足利于异种燃料混合、适合3D技术打印和轻量化要求，优化后的结构直接进行3D打印无需进行其他处理，如添加支撑或增加余量。
优选地，3D打印结束后，需要第一时间清理格栅结构中残余的金属粉末，避免因后续的其他处理过程导致格栅阻塞造成燃料混合不均匀燃烧不充分的问题。
步骤d：发射具有第三设置能量的激光，激光功率135-140W，扫描速度350-400mm/s,对燃烧区实体进行1-3层轮廓熔化处理，以使得所述的发动机燃烧室的所有结构内外表面光滑，无需其他后处理。如此，发动机燃烧室内外表面没有二次加工空间，金属3D打印结束后不再进行其他的机械加工过程。
应理解，火箭发动机燃烧室3D打印结束后，由于燃烧室的设计结构原因没有其他空间对燃烧室所有结构的表面进行二次表面处理。因此，对于燃烧室所有结构的表面打印参数要单独设置，确保打印结束后，表面粗糙度达到质量要求。
具体的，将燃烧室所有结构的表面设置为1-3层，每一层单独打印，保证3D打印结束后，燃烧室所有结构的外表面无需其他加工处理。
优选地，将燃烧室所有结构的表面设置为1-3层的处理过程，都可以在3D打印装配套的工艺软件中实现，无需在结构设计时，单独进行区分设计。
步骤e：在上一层金属粉末选择区域熔化结束后，继续铺上一层相同厚度的粉末，并继续按顺序执行步骤b，c，d，直到打印完成。
在本实施例中，3D打印过程是逐层打印的，并且在整个过程中设置层厚保持不变。由打印设备按照STL文件确定的程序步骤自动执行并反复运行，最终打印出金属燃烧室。
在本实施例中，每一层金属打印粉末的厚度为30-50um(微米)。应理解，某些3D打印装备允许将铺粉层厚设置为30um以下，如25um或20um。但是考虑目前粉末的粒度范围在0-53um，所以选择30-50um层厚可以更好的保证3D打印质量，如致密度。
在本实施例中，金属打印粉末为镍基高温合金。由于镍基合金粉末打印时会产生较多的烟尘，烟尘会造成激光折射。因此，在打印过程中需要关注打印机舱体内的粉尘情况及时调整气体循环频率或更换气体过滤系统滤芯或增加粉尘收集装置数量。
3D打印装备对基板有加热功能，加热温度为60-100℃。镍基高温合金打印开始前要对基板进行预热，在打印过程进行中并且不中断对基板的加热。如此，有效的避免了因为热胀冷缩而导致层厚发生改变的问题。
优选地，民用火箭发动机燃烧室3D打印过程需要在惰性气氛环境中进行，惰性气体为Ar气。所述的惰性气体环境氢氧含量值为不高于1000ppm。虽然镍基高温合金是一种抗高温氧化性优越的金属材料，但是3D打印装备舱体内氢氧含量值高于1000ppm时不要进行打印，这种情况下进行3D打印会造成燃烧室质量不合格。
综上，本发明所公开的金属燃烧室3D打印方法在打印民用火箭发动机金属燃烧室时，可以制造出更利于异种燃料混合燃烧的火箭发动机燃烧室，而且通过本发明3D打印的方式进行制备，效率高，打印后的结构内外表面光滑，可克服传统制造燃烧室的复杂结构带来的加工精度和装配精度问题，提高民用火箭的经济效益，扩大民用火箭的应用领域。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：确定燃烧室摆放方式以及燃烧室底部添加余量，然后按照金属燃烧室零件STL文件的打印程序操作，在打印用基板上预铺一层发动机燃烧室材料的金属粉末；
步骤b：发射具有第一设置能量的激光，激光功率270-290W，扫描速度900-1000mm/s,对所述打印平台上的该层金属粉末进行选区激光熔化，以成型发动机金属燃烧室带双进料流道的底部，并且流道内部不添加任何支撑结构；
步骤c：发射具有第二设置能量的激光，激光功率140-160W，扫描速度550-650mm/s,对所述打印平台上的该层金属粉末进行选区激光熔化，以成型连接底部的格栅状，用于异种燃料混合的燃烧区；
步骤d：发射具有第三设置能量的激光，激光功率135-140W，扫描速度350-400mm/s,对燃烧区实体进行1-3层轮廓熔化处理，以使得所述的发动机燃烧室的所有结构内外表面光滑，无需其他后处理；
步骤e：在上一层金属粉末选择区域熔化结束后，继续铺上一层相同厚度的粉末，并继续按顺序执行步骤b，c，d，直到按照金属燃烧室零件STL文件的所有打印程序完成；
其中，所述发射第三设置能量的激光对燃烧区实体进行1-3层轮廓熔化处理的步骤包括：
将燃烧区的外轮廓设置为1-3层，并对每一层发射具有第三设置能量的激光进行熔化，使得所述的发动机燃烧室的所有结构内外表面光滑，无需其他后处理；
然后发射具有第四设置能量的激光对所述发动机燃烧室的外轮廓1-3层搭接部分进行熔化；
燃烧区内部格栅状结构厚度被设置小于1.5mm，打印策略选择线形策略进行扫描，并发射第二设置能量值的激光，形成质量要求的燃烧室内格栅状结构；
火箭发动机燃烧室底部含有两个异种燃料的进料孔，两个孔的直径不足3mm，在模型处理过程中不需要在进料孔内添加任何支撑，使用第一设置能量的激光对所述打印平台上的这一层金属粉末进行选区激光熔化，以成型发动机金属燃烧室的底部，打印后的发动机金属燃烧室的底部与打印用基板连接。
2.根据权利要求1所述的民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，其特征在于，还包括：预热所述打印用基板，加热温度为小于等于100℃，增强首层粉末在烧结过程中与基板的结合，并且在打印过程中，对基板的加热不中断。
3.根据权利要求1所述的民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，其特征在于，所述基板为铁基材料基板。
4.根据权利要求1所述的民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印过程在惰性气氛环境中进行，惰性气体为Ar气；所述的惰性气体环境水氧含量值小于等于1000ppm。
5.根据权利要求1所述的民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，其特征在于，每一层民用火箭发动机燃烧室金属粉末的打印厚度为30-50um。
6.根据权利要求1所述的民用火箭发动机金属燃烧室的3D打印方法，其特征在于，所述打印用粉末为镍基高温合金粉末。
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