增材制造(又稱3D打印)是一種將復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)零件模型離散為二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層疊加成形的技術(shù)，它使復(fù)雜微細(xì)內(nèi)流道零件一體化成型成為可能，因而在航空航天、船舶、核、汽車、能源化工等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨增多。

增材制造技術(shù)在成形零件過程中因存在溫度梯度和逐層成形等自身工藝特點，導(dǎo)致零件內(nèi)流道表面存在半燒結(jié)或粘結(jié)的粉末顆粒以及表面“臺階”效應(yīng)，這些表面粘結(jié)粉末和“臺階”引起的粗糙度等都會影響零件的使用性能和安全性：當(dāng)內(nèi)流道中通入的流體與表層高速摩擦造成毛刺、粘附殘渣顆粒或粘結(jié)粉末脫落時會成為多余物而隨流體到處擴散，或堵塞油路或引起機械磨損故障，從而造成重大安全事故；粗糙度大的內(nèi)表面在長期使用過程中易成為疲勞裂紋源，若是高溫油路系統(tǒng)還易導(dǎo)致積碳現(xiàn)象發(fā)生；增材制造內(nèi)流道表面的“臺階”現(xiàn)象還會導(dǎo)致流體運動過程產(chǎn)生湍流、渦流和流體沿程阻力急劇增加，甚至造成流體失控，產(chǎn)生振動而降低零件使用壽命。粗糙表面也會使流體中產(chǎn)生大量空化氣泡影響燃燒和液力，甚至產(chǎn)生空化腐蝕。因此，增材制造流體動力零部件內(nèi)流道表面必須進(jìn)行一定光整處理后才能最終滿足產(chǎn)品的性能要求。

常見內(nèi)流道表面光整方法可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類：物理方法如手工拋磨、磨粒流拋光、磨料水射流拋光、磁力拋光、磁流變拋光、超聲波拋光等，而化學(xué)方法如化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光及電漿拋光等。當(dāng)零件內(nèi)流道口徑較大(≥3mm)、長徑比較小(＜10：1)，且呈近似直線走向時，可采用手工拋磨、化學(xué)、電化學(xué)、電漿、磁力、磁流變、磨粒流、水射流及超聲波等常見方法進(jìn)行拋光。

但是，當(dāng)零件內(nèi)流道口徑較小(＜3mm)，長徑比較大(≥50)，甚至呈三維空間走向的含S型彎、U型彎、O型彎、螺旋彎時，這些常見拋光方法都呈現(xiàn)較大局限性或根本無法進(jìn)行拋光。

陜西金信天鈦材料科技有限公司開創(chuàng)性地發(fā)明了高速水基兩相流拋光技術(shù)解決了口徑＜3mm、長徑比≥50的復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)流道表面光整國際難題。其基本原理是配制由大雷諾數(shù)低黏性水基環(huán)保溶液和超細(xì)超硬磨粒組成的固液兩相懸浮液拋光介質(zhì)，通過特殊增壓設(shè)備驅(qū)動固液兩相拋光介質(zhì)在微細(xì)內(nèi)流道里高速流動(流速＞10m/s)，從而產(chǎn)生“近剛性隨形刀具”效果對內(nèi)流道表面進(jìn)行摩擦微切削實現(xiàn)表面光整。

核心技術(shù)包括：

液壓推力≥40MPa的多級增壓液壓系統(tǒng)****設(shè)計及制造

針對拋光介質(zhì)在微細(xì)內(nèi)流道中高速運動時所需驅(qū)動壓力通常需超過40MPa且具有穩(wěn)定的調(diào)節(jié)精度。開展增壓器、柱塞泵和嚙齒合齒輪泵的組合推力設(shè)計、密封與控制。針對液壓油在增壓器和油管中的流動穩(wěn)定性需求，開展增壓器和油管的設(shè)計選型和裝配。

典型應(yīng)用案例：

航空發(fā)動機領(lǐng)域

本成果產(chǎn)生前，國際上尚無有效手段對航空發(fā)動機增材制造燃油噴嘴中的微細(xì)異形大長徑比內(nèi)流道進(jìn)行有效表面光整，增材制造應(yīng)用國際領(lǐng)先企業(yè)美國GE公司生產(chǎn)的燃油噴嘴也因內(nèi)腔粗糙度問題而不得不定期拆卸燃油噴嘴進(jìn)行內(nèi)腔表面裂紋檢查和清洗，從而顯著增加了增材制造燃油噴嘴的使用成本。使用本技術(shù)對中國航發(fā)商發(fā)多個發(fā)動機型號用的增材制造燃油噴嘴進(jìn)行內(nèi)流道表面光整，最優(yōu)粗糙度Ra≤1.6μm，噴嘴流量提升≥30%且流量精度控制在1%以內(nèi)，這些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，顯著提升了增材制造燃油噴嘴系統(tǒng)的燃燒穩(wěn)定性、使用安全性和壽命，并大幅度降低使用成本。

來源: 陜西金信天鈦材料科技有限公司