基于增材制造的工艺研究：航天用离心泵闭式叶轮的开发

关键词：增材制造，闭式叶轮，SLM，表面质量，尺寸精度，AFM，离心泵，MPFL

大型空间平台的复杂性要求热控系统必须能够在太空环境特有的极端温差条件下维持航天器的正常运行。目前已有多种主动与被动式热控系统可成功应用于该领域，其中最为常见的主动系统之一是机械泵驱动流体回路系统 - 该系统借助泵驱动液态冷却剂在闭合回路中循环流动^[1]。与其它系统相比，流体回路具有更轻的质量，且其传热特性优于专为传导传热设计的元件，因此常被应用于先进的热控系统设计中。鉴于此，欧洲各大系统集成商已对机械泵驱动流体回路表现出浓厚的兴趣，并且计划将其应用于深空及载人航天任务（如转移飞行器、轨道空间站、巡视探测器等）或通信卫星之中^[2]。

当前市场需求正趋向于更集中的有效载荷配置，这不仅要求从有效载荷到热辐射器具备强大的热量输送能力，同时也对高吞吐量卫星提出了需求 - 其有效载荷处理器与有源天线需要应对高热流密度和/或高热稳定性的挑战。此外，考虑到载人与机器人探索战略，在国际居住舱或“猎户座”多用途载人飞船欧洲服务模块等框架内，均需采用主动热控制系统，而这类系统中的离心泵则可配备增材制造的叶轮。多项研究^[2,3,4,5]表明，在2000年之前，机械泵驱动流体回路系统仅应用于国际空间站及深空任务；此后，欧洲空间局开始为大型通信平台开发机械泵驱动流体回路系统 - 目前已在部分地球静止轨道卫星上运行，并为3至6 kW单相机械泵驱动系统开发了机械泵流体回路。所积累的研究成果与知识，为Neosat平台上用于通信卫星热控的大型两相机械泵驱动系统奠定了研发基础。开发用于机械泵流体回路的全新改进型离心泵，有助于巩固欧洲在航天器主动热控制领域的技术地位，并确保其在该领域的技术独立性。

在泵组件的关键零部件识别与制造中，其制造工艺可在性能提升、成本控制与周期缩短方面实现优化。闭式叶轮及轴承是影响泵性能的核心部件。闭式叶轮因其结构复杂、生产批量小，传统成型或减材制造方法难以高效制备，而增材制造技术则成为其较优的生产方案。Brandão等人^[6]曾采用SLM工艺制造航天增材制造零件，研究了不同打印方向下Ti-6Al-4V合金粉末原料的交叉污染问题。结果表明，沿基板主要方向成形的试样其抗拉强度值符合ASTM F2924标准^[7]要求；而沿构建方向（Z轴）成形的试样，其屈服强度与抗拉强度波动较大，且断裂伸长率显著低于XY平面成形试样。此外，所有试样的X射线计算机断层扫描结果均证实存在颗粒污染，其根源在于增材制造设备中粉末原料的交叉污染。预计此类污染将对其它材料性能产生负面影响，例如应力腐蚀开裂与耐腐蚀性能。

残余应力是增材制造普遍关注的关键问题。如Deb Roya等人^[8]所述，残余应力可能导致构件变形、几何公差丧失、沉积过程中层间剥离，并显著降低制件的疲劳性能与断裂抗力。为应对此问题，对镍基高温合金进行去应力热处理已被证实具有良好效果^[9]。另一方面，需注意通过优化激光工艺参数来控制残余应力。在SLM工艺中，用于熔化粉末的激光扫描策略对残余应力的形成具有重要影响。通常，垂直于扫描方向的残余应力大于沿扫描方向的残余应力；Gu等人^[10]曾就工艺参数的影响开展深入研究。此外，尺寸缩放/偏移系数设置不当也会导致尺寸精度下降，该问题同时受零件几何形状、光束强度、粉床密度或SLM扫描头/光学系统问题的影响，可通过X射线计算机断层扫描或尺寸精度分析进行检测^[11]。

增材制造离心泵叶轮的水力性能与工作特性已受到学界关注。Fernandez等人^[12]采用熔融沉积成型这一不同的增材制造技术开展研究，发现增材制造工艺固有的表面粗糙度并未限制泵的扬程-流量曲线性能；同时，通过化学后处理可确保泵在高流量工况下运行更为稳定。Koutiria^[13]以及Keller与Mendricky^[14]的研究揭示了原始态Inconel 625SLM制件的表面粗糙度与工艺参数之间的关联机制，该粗糙度主要取决于加工过程中的表面温度。总体而言，研究显示表面粗糙度Ra值随扫描速度降低而增大，随功率升高而减小，且在大建造角对应的下表面急剧增加。

在利用增材制造技术开发闭式叶轮原型方面，Sulzer公司^[15]开展了重要探索。通过研究不同构建方向与支撑结构设计，有效避免了材料在不可达区域的沉积。尽管该增材制造零件并非专为航天应用设计，但其经验可被视为优秀实践范例，相关成果为航天领域闭式叶轮的研发推进了重要一步^[16]。马歇尔太空飞行中心^[16,17]亦采用Inconel 718材料，通过直接金属激光烧结技术成功设计并制造了用于液氧涡轮泵的闭式叶轮、涡轮及壳体组件。

增材制造，特别是SLM技术，已成为空间领域机械泵流体回路新型样机及功能离心泵研发的重要组成部分。其长期目标在于采用增材制造闭式叶轮来装备机械泵流体回路系统的离心泵，并扩展该技术在空间领域新零件（如泵、涡轮泵及其它高速旋转设备）开发中的应用范围。

本文旨在对影响泵性能至关重要的Inconel 625闭式叶轮的先进制造工艺进行初步验证。研究工作同时聚焦于SLM技术带来的多重优势：该技术不仅能提升构件成型质量，更能实现传统加工方法难以达成的新型结构与几何复杂性，从而通过新技术的应用拓宽航天领域的设计视野。本研究得出的技术方案将被应用于制造叶轮并集成至泵组中进行水力性能评估，且相关工艺参数将在该过程中得到进一步优化。

2.1. 设计考量

增材制造空间产品面临的主要挑战在于满足严格的认证要求，并确保所有批次零件均具有预期的力学性能与稳定的高品质。本文提出的解决方案旨在适配未来的泵组装配，其总体泵体结构如图1所示，具体技术数据详见表1。

图1：泵总体结构

表1：泵技术数据

尽管钛合金和铝合金在航天领域的金属零部件制造中已有应用，但本研究采用Inconel 625合金，通过SLM技术研制闭式叶轮，旨在评估增材制造工艺相较于传统方法在加工此类复杂零件时的加工效率与几何精度表现。研究所用的Inconel 625粉末（购自英国朗科恩LPW Technology Ltd.）的特性如表2所示。

表2：Inconel 625粉末特性：（a）粉末粒度分布；（b）粉末流动性。

2.2 设计理念

基于预先设定的叶轮叶片型线与主体结构，采用 Solid Edge 软件（2019版，德国西门子PLM软件公司）完成了闭式叶轮的计算机辅助设计模型，如图2a所示。针对增材制造工艺的特殊要求与限制条件（如最小壁厚、流道尺寸、孔结构及加工余量），在最终设计模型的叶轮外表面设置了加工余量（偏置量），该部分将在后续机械加工中去除。这一措施有助于实现快速且可控的几何精度保证。利用同一软件将带余量的模型转换为立体光刻（STL）模型，转换公差设定为0.001 mm，表面平面角度为1°。为便于理解，图2d展示了两模型的重叠对比示意图。经增材制造工艺成型的闭式叶轮毛坯质量预估为122 g，精加工后叶轮质量预计为60 g。

（a）闭式叶轮模型等轴视图；

（b）含偏置材料的闭式叶轮模型等轴视图；

（c）两种闭式叶轮的截面示意及尺寸标注（单位：mm）；

（d）两种叶轮模型的重叠对比图。

2.3 SLM打印工艺

SLM工艺在罗马尼亚燃气轮机研究与开发研究院所拥有的 Lasertec 30SLM 设备（DMG MORI, Bielefeld, Germany公司生产）上完成，其成型舱容积为 300 mm × 300 mm × 300 mm。采用增材制造技术进行制造时，其工艺方法必须符合相关标准并体现新技术特点，尤其需要在以下几个方面对制造过程给予特别关注：

● 叶轮在成型舱内的定位与取向，应尽可能避免支撑材料沉积在叶片之间难以清除的区域，如图3所示；

● 为后续加工而在零件外部增加加工余量，以获得良好的表面粗糙度（Ra值控制在0.8至1.6 μm）；

● 打印参数设置：包括层厚、激光功率、扫描策略、焦距及扫描速度等。

图3：支撑材料沉积情况说明：红色区域：无法移除；蓝色区域：难以加工；绿色区域：易于移除：（a）闭式叶轮剖面图；（b）闭式叶轮等轴视图

为评估闭式叶轮对增材制造技术的适用性，研究首先以Z轴方向（建造方向）制造了一个几何形状简化的开式叶轮作为首次试制。闭式叶轮在叶片两侧均设有盖板，而开式叶轮仅在叶轮入口对面设有一个盖板。由于缺乏上盖板，开式叶轮结构强度相对较弱，通常用于运行约束较小的泵类设备。开式叶轮未考虑其它倾斜角度，因为支撑材料会附着在叶片上。第二次制造试验针对闭式叶轮设置了三种建造方向：一种沿Z轴方向构建，另外两种分别沿32°和42°方向建造。建造方向的命名遵循增材制造标准术语^[18]。在选择构件建造方向时主要考虑两个因素：避免支撑结构与叶片连接，以及避免盖板区域出现过大的悬垂结构（或称为非自支撑区域）。通过ANSYS软件（2020 R1版，美国ANSYS公司）的初步模拟分析，结合上述条件，确认这些建造方向适用于本应用场景。

此外，研究还考察并分析了其它打印角度对几何稳定性的影响。这些角度与不同的打印参数相关联，以期在几何稳定性和避免悬垂区域方面取得最佳效果。相关结果，连同CT扫描、内表面精加工及动平衡测试数据，将构成另一篇后续论文的主题。

每个建造方向下均制备了两个叶轮试样。表3列出了闭式叶轮制造所用的工艺参数，这些参数参考了Condruz等人^[19]先前研究中的设置。图4展示了使用RDesigner软件（2018版，德国Realizer公司）生成的四种叶轮CAD模型，其中包含了模拟的打印支撑材料及打印参数。

表3：SLM工艺参数^[19]。

图4：开式与闭式叶轮模型的建造方向及支撑结构： (a) 开式叶轮 - 沿Z轴方向建造（垂直建造）； (b) 闭式叶轮 - 沿Z轴方向建造（垂直建造）； (c) 闭式叶轮 - 沿B方向倾斜32°建造； (d) 闭式叶轮 - 沿B方向倾斜45°建造）

2.4 后处理工艺

为获得最终零件，闭式叶轮采用了两种后处理工艺：一是AFM，用于对内表面进行去毛刺与抛光；二是传统机械加工，用于去除增材制造过程中预留的加工余量。

在进行外表面加工前，闭式叶轮首先在箱式电阻炉中进行了去应力热处理。该电阻炉最高温度为1200°C，炉膛容积为140升，功率为13.5千瓦。

AFM使用VECTOR 8磨粒流加工系统进行。该系统非常适合对复杂内表面进行抛光和去毛刺，其使用化学惰性或非腐蚀性介质来改善表面光洁度和边缘状态。介质中的磨粒通过磨削而非剪切的方式去除多余材料。磨粒流加工完成后，对闭式叶轮进行了车削加工，以达到最终尺寸要求。这是一种经济高效的精加工方案。

2.5 尺寸精度分析

为验证工艺效果，在后处理工序前后均使用Mahr Surf PS10粗糙度仪对零件表面粗糙度进行了测量。根据叶轮尺寸，测量长度为0.8毫米 × 10毫米，测量速度为1.0毫米/秒。

尺寸精度分析采用ATOS Compact Scan 5M三维激光扫描仪完成。该设备集成了GOM扫描检测软件，传感器像素为2 × 5 × 10⁶，测量点间距在0.017毫米至0.481毫米之间。

测量综合运用了光学三角测量法、摄影测量法和条纹投影法。由于零件表面具有高反光特性，因此在叶轮各侧面均匀粘贴了直径为0.8毫米的白色标记点，随后将叶轮安装在转台上。通过从多个角度进行扫描，完整获取了叶轮的整体表面数据。将扫描得到的三维模型与原始CAD模型进行重叠对齐，计算法向偏差并以彩色谱图进行可视化呈现。最终测量的标准偏差在±0.1毫米的可接受公差范围内。

3.1 叶轮制造与分析

打印完成的叶轮在基板上的状态如图5所示。基于表3所示的打印参数，单个叶轮的平均打印时间为14小时。打印时间可能受同批次打印零件数量的影响。各叶轮的表面粗糙度测量长度为10毫米，测量速度为1毫米/秒，结果如表4所示。粗糙度仅在叶轮盖板的外表面进行测量，因为叶轮背面已通过机加工去除了支撑材料。

图5：基板上不同建造方向制造的开式与闭式叶轮示意图：(a) 开式叶轮 - 沿Z轴方向打印（垂直建造）；(b) 闭式叶轮 - 沿Z轴方向打印（垂直建造）；(c) 闭式叶轮 - 按B方向倾斜32°建造；(d) 闭式叶轮 - 按B方向倾斜45°建造

表4：打印叶轮的平均粗糙度值

Ra：轮廓算术平均偏差（平均粗糙度）；Rz：轮廓最大高度平均值；Std. dev.：标准差。

研究发现，随着打印倾角的改变以及相应的悬垂区域面积增加，叶轮盖板的表面粗糙度呈现上升趋势。不过，外表面粗糙度并非关键因素，因其最终需要通过机加工达到设计尺寸，然而，叶轮整体的尺寸稳定性至关重要。

随后，对闭式叶轮进行了去应力热处理（应力消除工艺：以5°C/分钟速率加热至870°C并保温60分钟，空冷后于1000±5°C退火60分钟 - 油淬）。此项热处理在进行外表面车削加工去除支撑结构之前实施。

3.1.1 外部尺寸精度评估

在进行打印件的几何尺寸评估前，已通过传统机加工（车削）去除了支撑材料。开式叶轮的尺寸精度分析表明，其打印过程符合叶片定位±0.1毫米的几何公差要求，如图6a所示，与CAD模型对比良好。对于三种不同打印方向（0°、B+32°和B+45°）的闭式叶轮，其尺寸精度因建造方面不同而有所差异，测量平均值更为稳定且更接近设计要求。

叶轮背面的蓝色斑迹区域未被判定为几何尺寸偏差，因为在车削去除支撑结构过程中已切削掉0.1至0.2毫米的余量。然而，由于打印角度的影响，在盖板顶部外缘观测到最大达-0.235毫米的轮廓偏差。考虑到SLM工艺已预留1毫米加工余量，该打印过程产生的轮廓偏差处于可接受范围。

图6：增材制造叶轮外部几何尺寸评估图示：(a) 开式叶轮（0°打印方向）；(b) 闭式叶轮（0°打印方向）；(c) 闭式叶轮（32°方向）；(d) 闭式叶轮（45°方向）

3.1.2 内部尺寸精度评估

为评估三款闭式叶轮的内部尺寸偏差，采用电火花加工（EDM）对每个叶轮进行了剖切。图7展示了电火花加工过程及叶轮半剖面的实物图，其中叶轮盖板与轮盘呈现的黑色为热处理所致。各闭式叶轮的内部尺寸精度分析结果如图8所示。

图8：增材制造闭式叶轮的几何尺寸评估：(a) 0°打印倾角的闭式叶轮；(b) 32°打印倾角的闭式叶轮；(c) 45°打印倾角的闭式叶轮

研究发现，在Z轴方向（垂直建造方向）打印的闭式叶轮，其盖板上的红色区域因处于悬垂结构而表现出较高的表面粗糙度。盖板上叶片压力面的轮廓偏差范围为-0.077毫米至+0.024毫米，这些数值仍处于±0.08毫米的规定公差范围内。

对于以32°倾角打印的闭式叶轮，盖板叶片压力面的几何精度比吸力面更为稳定。然而，轮盘叶片在压力面和吸力面均出现了更大的轮廓偏差-0.209至+0.153毫米，超出了规定公差范围。

进一步增加打印倾角至45°后，叶片轮廓偏差明显减小，重新满足±0.08毫米的公差要求。但由于较大倾斜角度造成的悬垂效应，叶轮顶部区域（特别是最上方的叶片）仍表现出较高的粗糙度。因此，图8中轮盘叶片吸力面呈现出更显著的红色区域。

为探究打印角度是否影响叶片尺寸（这一因素可能影响泵的性能），研究还对叶片厚度进行了分析。如图9所示，通过对比CAD模型，分别测量了盖板和轮盘处每个叶片的厚度并计算其平均值。

图9：使用卡尺测量叶片厚度（取3次测量平均值），并与CAD模型进行对比

虽然开式和闭式叶轮在Z轴方向（垂直建造方向）打印时未观察到叶片轮廓偏差，但其叶片厚度受到了影响，如图9所示。尽管开式叶轮所有六个叶片的厚度变化均在可接受范围内（最大±0.1毫米），但闭式叶轮的厚度变化较大，不符合要求。

对于以32°倾角打印的闭式叶轮，其厚度分布更为均匀且精确，然而叶片的轮廓偏差却超出了规定公差（图8）。第三个闭式叶轮（45°倾角）与前两个（0°和32°）相比，在倾斜角度、轮廓偏差和叶片厚度之间呈现出更好的综合稳定性。通过调整精加工工艺参数，可以获得更稳定的叶片厚度，但在本案例研究中，主要目标是从几何尺寸评估角度确定最合适的打印倾角。

3.2 后处理评估

在AFM过程中（由德国Holzgünz的Extrude Hone GmbH公司实施），需要专用夹具引导介质流经闭式叶轮流道并抵达叶片尾部，以确保表面粗糙度的均匀一致，如图10所示。在试验阶段，仅对以45°倾角打印的一个闭式叶轮进行了AFM加工测试与评估。具体工艺参数见表5。

图10：专用于小型增材制造闭式叶轮的AFM工装

表5：AFM加工工艺参数

图11：(a) AFM加工的闭式叶轮及 (b) 其精加工过程细节图

经磨粒流精加工的零件随后通过车削加工达到最终尺寸，其外表面的平均粗糙度值为Ra 0.6 μm。在为验证磨粒流工艺对叶片厚度的影响而切割叶轮之前，对其进行了称重，测得质量减少了2.70克。此数据对于改进磨粒流工艺乃至叶轮的最终动平衡校验均具有重要意义。叶轮经线切割剖分为两半后，使用量具在各个叶片的三处位置测量厚度并取平均值。图12展示了经精加工前后的闭式叶轮外观对比及剖切后的两个半部。图13则显示了三款闭式叶轮在磨粒流加工后的叶片厚度测量结果，其允许的最大厚度偏差为±0.1毫米。

图13：采用卡尺测量磨粒流加工后叶轮叶片的厚度（取3次测量平均值），并与计算机辅助设计（CAD）模型进行对比

综合图12与图13的分析结果可知，AFM会对叶片厚度产生影响。这在预期之内，因为加工介质会在叶片的压力面与吸力面上流动磨削。然而，通过更换介质或调整工艺参数，可使介质在叶片型面上分布更为均匀，从而减小对叶片厚度的影响。另一种方案是优化工装设计，以实现更均匀的材料去除量。

此外，对剖切后的叶轮两部分分别进行了粗糙度检测：盖板区域平均粗糙度为Ra 3.85 μm，轮盘为Ra 0.66 μm。相较于打印状态的Ra 6.480至8.233 μm，AFM显著降低了叶轮流道表面的粗糙度。不过，受其几何结构限制，盖板表面未能被完全抛光。如前所述，通过调整介质和工艺参数，整体表面粗糙度仍有较大优化空间。

本研究通过分析SLM技术在微型行星燃料泵闭式离心叶轮制造中的应用潜力，为开发新型原型机及功能性离心泵迈出了重要一步。

鉴于增材制造技术在航天部件领域的广泛应用前景，本文研究成果为适用于航天应用的微型闭式构件提供了一套完整的制造工艺方案。此外，针对闭式构件等复杂几何结构的后处理，本研究提出了一种创新方法。

开发此类微型闭式部件的核心挑战之一在于支撑材料在不可移除区域的残留问题。为此，本研究评估了0°、32°和45°三种制造方向对该类构件增材制造工艺的影响。通过支撑材料沉积仿真分析后，实际制造了闭式叶轮与开式叶轮各一件并进行检测。一般而言，增材制造零件表面粗糙度通常较高，但经过一道或多道后处理工序后可显著改善。

研究发现：随着打印倾角增大，三个闭式叶轮在外形尺寸稳定性与叶片型面精度方面均呈现提升趋势。但需特别注意悬垂区域对零件粗糙度与尺寸稳定性的双重影响。尽管增大倾角提升了尺寸稳定性，叶片厚度却未呈现相同规律。0°方向打印的零件厚度与CAD模型偏差最大；32°与45°倾角打印的叶片厚度变化最小。具体而言，32°倾角叶片的厚度虽在公差范围内，但其型面偏差较大；而45°倾角打印的叶片厚度接近公差上限，却表现出更稳定的型面精度，二者需根据实际需求权衡取舍。

后处理工艺是增材制造部件开发（尤其是航天领域）的另一关键环节。本研究选择AFM作为微型构件内表面抛光的优选工艺。首次试验表明，该工艺显著改善了叶片压力面、吸力面及流道表面的光洁度，但受几何结构与厚度限制，叶片尾部区域仍存在局部处理不足。值得注意的是，AFM使叶轮内部（特别是轮盘区域）粗糙度大幅降低，而盖板区域因结构特性未能实现充分抛光。

针对已发现的尺寸稳定性、粗糙度及厚度控制问题，后续研究应涵盖：同设计模型下不同倾角方向的对比试验、AFM参数的优化研究。此外，可通过工艺仿真预判磨粒流加工中的优先磨损区域，从而指导介质选择与参数调整。目前相关介质与参数的优化研究已在推进中。

需要说明的是，本研究选用材料与泵送流体具有相容性。下一步将在材料、选区激光熔化制造工艺及后处理流程一致的条件下，装配相同叶轮进行泵体水力性能测试。

本研究通过探索无内部支撑结构的复杂金属构件增材制造技术，有助于推动其在航天应用领域的技术成熟度。同时，针对闭式构件等复杂几何结构内表面的后处理，提出并验证了一种针对性的解决方案。

本文系统研究了基于增材制造技术制造微型行星燃料泵闭式叶轮的完整工艺流程。选用IN615合金，通过选区激光熔化技术制造了一个开式叶轮和三个不同打印方向的闭式叶轮，并从尺寸精度与叶片型面偏差两方面评估了其几何稳定性。研究表明，采用45°打印方向可在叶片型面偏差与厚度控制间取得最佳几何协调性。该打印倾角为制造几何结构复杂、且能避免内部支撑残留的微型闭式叶轮提供了关键工艺参数。

在此基础上，对45°打印的闭式叶轮先后实施了两种后处理工艺，以最终确定其尺寸并改善表面状态。AFM与车削均在改善表面粗糙度与保持尺寸稳定性方面成效显著，但磨粒流工艺仍需通过优化介质选择与参数调整以解决局部处理不足的问题。

为量化增材制造闭式叶轮的打印质量与功能特性，后续研究将采用显微计算机断层扫描等无损检测手段，并结合优化的磨粒流精加工工艺进行深入分析，相关成果将在后续论文中呈现。

本研究成果为复杂几何构件的增材制造工艺开发提供了重要参考，对提升航天用增材制造闭式离心叶轮从研制到认证全过程的技术成熟度具有积极意义。

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