CN112359408A - 一种降低3d打印推力室夹层冷却结构流阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，首先对推力室夹层冷却结构进行优化设计，然后采用3D打印技术成形工件；将成形的推力室夹层冷却结构，采用电化学抛光+等离子体电解抛光技术进行处理；两种技术的配合可以进一步使得所需工件达到所需性能，利用电化学抛光技术进行粗抛，等离子体电解抛光技术进行精抛；等离子体电解抛光技术可以通过调整电解液的配比，电流和电压的大小来改善零部件表面质量，有效的减少裂纹源的萌生及扩展，有效的降低推力室夹层冷却结构的流阻，以实现推力室夹层冷却结构在特定条件下的服役情况，解决该工件目前所处的困境，拓宽3D打印技术及表面改性技术在航空航天领域的应用范围。

Description

一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法

技术领域

本发明属于3D打印技术的领域，具体涉及一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法。

背景技术

推力室是将液体推进剂的化学能转变为推进力的重要组件，在发动机中扮演着极其重要的角色。其在工作时要受到腐蚀性高温高压燃气的侵蚀，为了有效地将热量导出，正常发挥性能，推力室的设计以及材料选择就显得尤为重要。传统的推力室夹层冷却结构制造工艺复杂，制造周期长，质量水平不同。而利用3D打印技术成形推力室夹层冷却结构，可以同时满足对复杂设计、低成本和快速交付的要求；基于3D打印技术制造的推力室腔壁和内部冷却流的通道表面通常较为粗糙，会造成热传递增加并降低冷却介质的流动效率，这是因为3D打印零部件时，表面会残留未熔粉末，存在台阶效应等，导致零件表面粗糙度高，从而使得夹层通道流阻过高。因此需要使用合适的表面技术来降低工件表面的粗糙度，在本发明中将采用电化学+等离子体抛光技术工件进行处理；电化学抛光技术是一种典型的表面改性技术，常用于降低基体表面粗糙度，等离子体电解抛光技术是一种优良的环境友好型技术，该技术基本流程为“选择氧化-原位疏化-气膜空化-快速剥离”四个步骤。具体操作是利用工件本身作为阳极，并通过直流电压源连接到电解槽，将其插入电解池中，选用无害盐水溶液作为电解液。当在电源两端施加高电势时，会将金属离子从零件上抹去，从而达到降低粗糙度的目的。该技术的优点为可以优先抛光工件表面凸起，对推力室夹层冷却结构进行高精度抛光，因此该技术可以实现工件的平滑处理；

该技术的现有缺点是：

(1)传统推力室夹层冷却结构受到零部件本身结构的限制，不能很好的发挥冷却性能；

(2)利用传统方法成形推力室夹层冷却结构程序较为复杂，步骤繁多，所耗时间较长；

(3)利用3D打印技术成形推力室冷却结构，所得到零部件的表面粗糙度较高，效率比较低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，解决液流试验时夹层通道流阻的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，首先对推力室夹层冷却结构进行优化设计，然后采用3D打印技术成形工件；

步骤2，将经过步骤1成形的推力室夹层冷却结构，采用电化学抛光+等离子体电解抛光技术进行处理。

本发明的特点还在于：

其中步骤1具体内容包括：

首先对推力室夹层冷却结构进行构造和设计，夹层结构包括内层和外层，两端设置冷却剂入口和冷却剂出口，夹层结构中间设置若干轴向肋条分割为多条冷却通道，包括流入通道和流出通道，两种通道依次相邻布置，然后建立模型结构的三维实体模型，利用切片软件进行分层切片，获取工件模型在不同高度上分层的信息，最后利用3D打印技术进行打印成形；

其中步骤1中在流通通道内间隔设置多个点阵凸起；

其中步骤2具体包括：

电化学抛光过程首先对零部件进行粗抛，先将较大的表面粗糙度降到纳米尺度，然后利用等离子体电解抛光技术对粗抛过的工件进行精抛；

其中电化学抛光技术的主要步骤为，首先将被抛工件作为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，完成电化学抛光；

等离子体电解抛光技术的过程为，首先将复杂零件作为阳极，将工件插入电解槽中，在电解液中进行选择氧化-原位疏化-气膜空化-快速剥离四个过程，通过调控电压和电流，实现对于选择氧化-原位疏化-气膜空化-快速剥离四个过程的控制。

本发明的有益效果是：

本发明的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法首先对传统推力室夹层冷却结构进行结构优化和设计，然后利用3D打印技术成形推力室夹层冷却结构，以该工件的表面粗糙度为主要着手点，结合目前高效、绿色环保的表面改性技术对工件表面的粗糙度进行降低，基于电化学抛光技术和等离子体电解抛光技术，可以有效降低表面的裂纹源萌生，降低其表面粗糙度，可以有效降低推力室夹层冷却结构的流阻，从而达到良好的散热效果，实现工件在特定条件下的服役，解决该工件目前所处的困境，拓宽3D打印技术及表面改性技术在航空航天领域的应用范围，可以解决传统方法成形困难的问题，然后使用等离子体电解抛光+电化学抛光技术对工件表面进行处理，以降低粗糙度，实现提高推力室夹层冷却结构流阻效率的问题。

附图说明

图1为本发明的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法中激光选区熔化技术成形推力室夹层冷却结构的截面图；

图2为本发明的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法中电化学抛光原理图；

图3为本发明的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法中等离子体电解抛光原理图；

图4为本发明的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法中点阵结构实物前后抛光对比图。

图中，1.DC电压源，2.含水电解质，3.工件(阳极)，4.活性介质，5.阴极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，首先进行推力室夹层冷却结构的构造和设计，夹层结构包括内层和外层，两端应该设置冷却剂入口和冷却剂出口，夹层结构中间被若干轴向肋条分割为多条冷却通道，包括流入通道和流出通道，两种通道应该依次相邻布置，在流通通道内间隔还应设置多个点阵凸起，以进一步提升夹层的冷却能力。然后利用Solidworks软件和Pro/Engineer等软件建立模型结构的三维实体模型，然后利用切片软件进行分层切片，获取工件模型在不同高度上分层的信息，然后利用3D打印技术进行打印成形；

图1为利用3D打印技术成形推力室夹层截面；

步骤2，将经过步骤1打印所得的推力室夹层冷却结构，采用电化学抛光技术+等离子体电解抛光技术进行表面改性，以降低其表面粗糙度；

图2是电化学抛光技术原理图，其主要内容为首先以被抛工件作为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而实现对基体的粗抛，以达到降低工件表面粗糙度的效果。

图3是等离子体电解抛光技术原理图，该技术是一种绿色环保的表面改性技术，该工艺的实验过程是将粗抛后的工件本身作为阳极，并通过直流电压源连接到电解槽，将其插入电解池中，选用无害盐水溶液作为电解液。当在电源两端施加高电势时，会将金属离子从零件上抹去，从而达到降低粗糙度的目的，主要分为“选择氧化-原位疏化-气膜空化-快速剥离”四个步骤，从而得到性能良好的表面加工层；

等离子体电解抛光技术将工件插入电解液中，使得电解液可以完全包裹工件，因此适用于复杂零件的加工，不仅可以快速降低工件表面粗糙度，还可以细化表面晶粒。

利用电化学抛光+等离子体电解抛光技术的结合，可以实现对复杂零部件进行粗抛和精抛，以进一步降低零部件粗糙度。

图4是3D打印复杂点阵结构和等离子体电解抛光前后实物对比图；

利用3D打印技术成形推力室夹层冷却结构，其次利用电化学抛光+等离子体电解抛光技术进行表面改性，可以有效的降低工件表面粗糙度，以达到降低夹层流阻的目的，然后利用液流试验测试推力室的流阻，已验证所得零部件是否满足实际需求。有望通过该技术的推广，以拓宽3D打印技术及表面改性技术在航空航天领域的需求。

Claims (5)

1.一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，首先对推力室夹层冷却结构进行优化设计，然后采用3D打印技术成形工件；

步骤2，将经过步骤1成形的推力室夹层冷却结构，采用电化学抛光+等离子体电解抛光技术进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，其特征在于，所述步骤1具体内容包括：

首先对推力室夹层冷却结构进行构造和设计，夹层结构包括内层和外层，两端设置冷却剂入口和冷却剂出口，夹层结构中间设置若干轴向肋条分割为多条冷却通道，包括流入通道和流出通道，两种通道依次相邻布置，然后建立模型结构的三维实体模型，利用切片软件进行分层切片，获取工件模型在不同高度上分层的信息，最后利用3D打印技术进行打印成形。

3.根据权利要求2所述的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，其特征在于，所述步骤1中在流通通道内间隔设置多个点阵凸起。

4.根据权利要求1所述的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

电化学抛光过程首先对零部件进行粗抛，先将较大的表面粗糙度降到纳米尺度，然后利用等离子体电解抛光技术对粗抛过的工件进行精抛。

5.根据权利要求4所述的一种降低3D打印推力室夹层冷却结构流阻的方法，其特征在于，所述电化学抛光技术的主要步骤为，首先将被抛工件作为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，完成电化学抛光；

等离子体电解抛光技术的过程为，首先将复杂零件作为阳极，将工件插入电解槽中，在电解液中进行选择氧化-原位疏化-气膜空化-快速剥离四个过程，通过调控电压和电流，实现对于选择氧化-原位疏化-气膜空化-快速剥离四个过程的控制。

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