华曙高科携手首都航天机械，联合推出铜合金大尺寸、专业级3D打印新方案FS621M-Cu

2024年12月16日

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纯铜及铜合金因其卓越的导电性、导热性、耐腐蚀性和韧性，在航空、航天发动机燃烧室部件的制造中得到了广泛应用。然而，它们对近红外激光（例如波长为1064nm的激光）的高反射率特性，是铜金属3D打印领域面临的一大挑战。

华曙高科凭借雄厚的研发实力和丰富的工艺创新能力，早在2016年就在FS271M的平台上突破了青铜打印工艺，成为国内首批具备铜合金3D打印能力的企业。

2023年，首都航天机械有限公司携手华曙高科，基于大尺寸金属增材制造解决方案FS621M，联合研发出行业内少有的铜合金打印大尺寸、专业级增材制造设备FS621M-Cu，该款设备配置4台1000W掺镱 (Yb) 激光器，激光器波长1060-1080nm，进一步突破了CuCrZr等高反材料大型工件长时间稳定打印课题。

2023年8月，首都航天机械有限公司采用该款设备成功实现某型火箭发动机推力室身部内壁试验件的增材制造，该产品直径达600毫米量级，高度达850毫米量级，是目前公开报道过的最大的整体增材制造铜合金身部产品。

其成功研制也标志着首都航天机械有限公司成为国内首批全面掌握大尺寸铬锆铜合金激光选区熔化增材制造技术的单位。该技术突破填补了国内增材制造技术领域的空白，助力发动机生产跑出创新“加速度”。

制造难点

最复杂、难度最大、周期最长

推力室是液体火箭发动机的核心，在极端温度、压力、振动和氧化环境下运行，是液体火箭发动机中最复杂、制造难度最大、制造周期最长的部件。推力室通常采用夹层流道设计，利用再生冷却方法，在发动机工作循环中使用推进剂来整体冷却推力室侧壁，同时又可保持足够的壁温来加热推进剂，从而提高喷注效果。

采用增材制造方法可大大简化推力室身部的制造过程，实现铜合金内衬封闭式沟槽通道结构一体成形，达到优化冷却通道几何结构，增强换热性能，提高发动机整体性能的效果。相比传统旋压+机加+钎焊方案，这种制造成本降低75%，并大幅缩短研发周期。

铜基合金对激光的吸收率主要取决于环境条件，粉末表面条件，熔池温度，特别是激光波长。此外，铜合金导热系数高、热梯度大、散热快，在加工过程中还易造成沉积层的分层和卷曲，因此采用增材制造方法制造铜合金具有挑战性。

解决方案

实现高反材料稳定打印

FS621M是华曙高科于2020年推出的大尺寸金属增材制造系统，其具有620*620*1100mm的成形缸（含基板），4激光或6激光配置，经市场端多年验证，累计销量已超80台，在同类产品的市场占有率保持领先，持续助力航空航天、汽车等制造业转型升级。

为满足铜合金打印需求，首都航天机械有限公司对FS621M进行了专门的优化与升级。在华曙高科的协助下，对成形腔室进行了防反射处理、搭载了全域智能热量管理系统、配置了1000W×4的高功率激光器；基于实践打印经验，首都航天机械有限公司还特别开发了一整套高效率的工艺参数。通过这些措施，成功解决了高反材料的打印难点，推出专门针对铜合金的大尺寸设备FS621M-Cu，该设备特别适用于CuCrZr等高反材料的长时间稳定打印。

经过测试，FS621M-Cu所制备的试块密度成功达到了8.86g/cm³及以上。通过金相显微镜对试块内部组织的细致观察，结果显示其结构非常致密，且在整个幅面范围内，未发现任何尺寸超过60μm的孔洞。

与此同时，对打印出的拉伸试棒进行了沉积态下的力学性能测试，结果显示其力学性能综合表现优异。另外，对打印的测试样块还进行了导热性测试，测试结果表明，在常温下，该样块的导热系数不低于345[W/(m·K)]，热扩散系数不小于95（mm²/s），比热容则大于或等于0.35[J/(g·K)]。

为确保火箭发动机推力室身部槽道结构尺寸精度，提高一次打印成功率，首都航天机械有限公司截取零件典型局部进行打印验证，并对槽道进行抛光处理，减少压降，提高发动机性能，经验证后最终成功打印出推力室整体零件。对推力室身部流道结构进行X光扫描，可以看出其流道特征结构清晰、尺寸均匀，粉末清理彻底，成品品质优异。

2023年，首都航天机械有限公司增材团队已完成铜合金粉末质量控制、铜合金激光选区成形工艺优化等一整套技术研究，在国内率先实现了铬锆铜合金激光选区熔化增材制造的技术突破。采用该技术制造的产品性能较设计指标提高50%以上，成形零件尺寸精度大幅提升，且生产周期缩短至惊人的15至20天，成本较传统生产模式明显降低。