黃西娜，王少峰，丁首斌

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）鄭州研究院，河南 鄭州451283）

0 引言

外太空探測(cè)是一個(gè)國(guó)家航天科技高度發(fā)達(dá)的重要標(biāo)志，是綜合國(guó)力的象征。我國(guó)作為航天大國(guó)，在成功實(shí)施載人航天之后，又啟動(dòng)了“嫦娥”探月工程，其中一期和二期工程已經(jīng)勝利完成，在三期工程中也已經(jīng)完成了月球表面采樣并返回的任務(wù)［1-4］。通過獲取原態(tài)地外天體樣品，探究地球、行星的起源與演化等科學(xué)問題［5］，最終實(shí)現(xiàn)外太空資源的開發(fā)與利用［6］。月球作為地球唯一的近地衛(wèi)星，常作為開展外太空探測(cè)活動(dòng)的首選目標(biāo)。

與地表鉆采探測(cè)相比，月球環(huán)境下的鉆取采樣探測(cè)具有很大的挑戰(zhàn)：（1）鉆進(jìn)取心對(duì)象不確知。月球次表層內(nèi)不僅含有寬帶粒徑分布的顆粒物質(zhì)，又包含大尺度月巖，而且不同地點(diǎn)、不同深度剖面處的鉆進(jìn)對(duì)象呈現(xiàn)不確定的樣品形態(tài)，其鉆進(jìn)特性差異極大，這對(duì)取樣鉆具的功能設(shè)計(jì)提出了較高的要求［7］。既需要適應(yīng)月壤的鉆進(jìn)取心，又要高效、可靠地鉆進(jìn)大尺度月巖［8］。（2）低鉆進(jìn)作用力。受火箭運(yùn)載能力、月面低重力環(huán)境的約束，鉆取采樣機(jī)構(gòu)及其著陸器系統(tǒng)須進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，繼而可提供的鉆進(jìn)能力有限，為月壤的高效鉆進(jìn)帶來了困難［9］。而金屬三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最有前景的新一代先進(jìn)輕質(zhì)超強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)，不僅具備輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的抗沖擊吸能作用，使鉆具既實(shí)現(xiàn)了減重，還滿足了性能需求，同時(shí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的大孔隙率能實(shí)現(xiàn)鉆具結(jié)構(gòu)承載、防熱等功能的融合。

近年來，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者利用激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）制備的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)已經(jīng)在空天領(lǐng)域得到了應(yīng)用，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)異的力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性越來越受到重視，成為航空航天結(jié)構(gòu)件的研究熱點(diǎn)。本文分析了激光選區(qū)技術(shù)制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在月壤取樣鉆具上應(yīng)用的特點(diǎn)，揭示了這種技術(shù)應(yīng)用的可行性。

1 月壤取樣鉆具的研究和發(fā)展

月壤是指覆蓋于月球表面的一層4～15 m 的顆粒狀物質(zhì)，是月球探測(cè)的重要研究對(duì)象。取樣鉆具直接與月壤接觸，與月壤存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互作用力。鉆具與月壤之間的相互作用決定了鉆進(jìn)取樣鉆具能否取到完整的月壤樣品。月壤的力學(xué)特性是影響鉆具與月壤相互作用的關(guān)鍵因素。因此，研究月壤物理與力學(xué)特性、月壤與鉆具相互作用意義重大。

人類對(duì)月壤特性的研究包括利用地基天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)月球的觀測(cè)、太空望遠(yuǎn)鏡和地外星體衛(wèi)星的遙感探測(cè)、無人駕駛月球車、無人采樣器以及宇航員的月球鉆探等。率先完成月壤采集并將樣品帶回地球的國(guó)家有前蘇聯(lián)和美國(guó)，前蘇聯(lián)的Luna-16、Luna-20 和Luna-24 采用鉆取采樣的方法共采集月壤 樣 品 約321 g［10］。美 國(guó) 的Apollo 任 務(wù) 通 過 宇 航 員手持工具采樣，共采集月壤樣品381.7 kg，其中采用鉆取采樣的方法獲得的月壤樣品282.5 kg［11］，采集到的月壤樣品如圖1 所示。中國(guó)于2020 年12 月成功完成了首次月球采樣返回。

月壤取樣鉆具的研制需要依靠大量地面鉆進(jìn)取樣試驗(yàn)驗(yàn)證，由于目前人類獲得的月壤樣品極少，無法滿足各項(xiàng)試驗(yàn)的需求。因此，目前地面試驗(yàn)的鉆進(jìn)對(duì)象均采用與月壤力學(xué)特性相似的模擬月壤。模擬月壤采用與月壤礦物組成相似的巖石或者火山灰經(jīng)干燥、研磨等工藝后配比而成。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，模擬月壤的研發(fā)主要是功能性和通用性兩個(gè)方向，目前常見的有美國(guó)、中國(guó)、日本等8 個(gè)國(guó)家的模擬月壤［12］。研究表明，這些模擬月壤樣品性能參數(shù)基本在月壤樣品參數(shù)變化范圍內(nèi)，可作為模擬月壤用于月球探測(cè)工程研究與月球基地的相關(guān)試驗(yàn)研究［13］。模擬月壤的研究為取樣鉆具的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖1 鉆取月壤樣品Fig.1 Cores taken from lunar soil

月壤的抗剪強(qiáng)度是直接影響月壤鉆探采樣中鉆進(jìn)力和取心率的最重要的機(jī)械特性指標(biāo)。對(duì)于實(shí)際月壤的抗剪強(qiáng)度，特別是大深度處月壤的原位抗剪強(qiáng)度，目前沒有直接的月面測(cè)試數(shù)據(jù)，只能通過類比試驗(yàn)的方法獲得。Heiken 等［14］根據(jù)玄武巖模擬月壤地面試驗(yàn)得到了內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c與相對(duì)密度Dr間的關(guān)系。

月壤顆粒形狀高度不一致，從圓形到具有高度尖銳棱角的形狀均有分布［14］。研究表明月壤顆粒以棱角狀、次棱角狀、長(zhǎng)條狀為主，且部分顆粒含有空腔。由于月壤顆粒存在棱角狀形態(tài)，顆粒之間具有很強(qiáng)的咬合作用，顆粒間滑行困難，所以月壤能夠有效阻止外物刺入，因此采樣時(shí)需要一定的鉆壓力［15］。月壤顆粒的不規(guī)則性造成月壤具有很強(qiáng)的各向異性，影響月壤的壓縮性和剪切強(qiáng)度。

以上因素對(duì)取樣鉆具的研制提出了很高的要求，常規(guī)鉆具與月球鉆具相比，存在著力學(xué)特性、鉆進(jìn)規(guī)程不同和質(zhì)量過大等問題，并且由于月球真空狀態(tài)、低重力的特點(diǎn)，常規(guī)鉆具采用鉆機(jī)自重加壓鉆進(jìn)的方式難以實(shí)現(xiàn)，而質(zhì)量大小是航天設(shè)備中的一個(gè)關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)因素，除了成本，月球鉆探設(shè)備整體質(zhì)量也受限于運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力，因此必須提出一種滿足月壤力學(xué)特性的輕量化鉆具。

國(guó)外對(duì)月球鉆具的研究主要在20 世紀(jì)六七十年代，前蘇聯(lián)的Luna-16 和Luna-20 探測(cè)器均搭載一套擺桿式回轉(zhuǎn)鉆取采樣器，實(shí)現(xiàn)月面淺層樣品的采集。其中，Luna-16 鉆進(jìn)深度350 mm，后因鉆進(jìn)負(fù)載過大而停鉆。Luna-20 在鉆進(jìn)過程中遭遇巖石，鉆進(jìn)深度僅為250 mm。Luna-24 探測(cè)器采用滑軌式回轉(zhuǎn)沖擊采樣鉆具，鉆取采樣鉆具由鉆頭、鉆桿、繩索給進(jìn)機(jī)構(gòu)、樣品軟袋纏繞機(jī)構(gòu)等組成，具有回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和沖擊鉆進(jìn)2 種工作模式以適應(yīng)不同硬度月壤。由于鉆進(jìn)阻力急劇上升，鉆機(jī)曾出現(xiàn)2 次報(bào)警現(xiàn)象，最終在2.25 m 處被迫停鉆，取心長(zhǎng)度僅為1.6 m，采樣質(zhì)量為170 g［16］。

1969-1972 年間，美國(guó)先后成功開展了6 次載人登月探測(cè)任務(wù)（Apollo-11、12、14、15、16、17）。Apollo-11 首次實(shí)現(xiàn)了載人登月并返回地球的任務(wù)，且首次帶回了月球樣品，Apollo-12、14、15、16、17 也相繼實(shí)現(xiàn)載人登月、采集樣品并返回地球的目標(biāo)，共帶回了2196 塊樣品，總質(zhì)量為381.7 kg。在前3次任務(wù)中，宇航員利用重錘沖擊取心管尾部對(duì)月面進(jìn)行了多點(diǎn)采樣，如圖2（a）所示。在后續(xù)3 次采樣任務(wù)中，宇航員采用手持式回轉(zhuǎn)沖擊電動(dòng)鉆機(jī)ALSD 進(jìn)行月面多點(diǎn)采樣，如圖2 所示［17-19］。Apollo月面采樣鉆具采用“空心外螺旋鉆桿+螺旋巖心管和取心裝置+硬質(zhì)合金鉆頭”的組合方式，其中鉆桿材料為鈦合金，鉆頭材料為低合金高強(qiáng)度鋼，且釬焊有碳化鎢刀片，利用空心外螺旋鉆桿的外螺旋來實(shí)現(xiàn)孔底鉆屑的排出，獲得了成功。

前蘇聯(lián)Luna 系列和美國(guó)Apollo 系列給我們提供了很多經(jīng)驗(yàn)，通過借鑒其他國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，開展采樣鉆具的鉆進(jìn)特性模擬和研究，分析月壤與采樣機(jī)具的接觸力學(xué)狀態(tài)，在滿足航天成本和運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力條件下合理制造取樣鉆具，具有極為重要的意義。

我國(guó)月球探測(cè)工作起步較晚，目前在月壤取樣鉆具方面的研究中，李大佛及其研究團(tuán)隊(duì)［20］針對(duì)月面特殊環(huán)境，對(duì)月面鉆取專用鉆頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行了為期數(shù)年的研究工作。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)在地面環(huán)境下鉆頭的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了反復(fù)的研究，設(shè)計(jì)的不同種類具有代表性的取樣鉆頭如圖3 所示。圖3（a）所示鉆頭圓周方向鑲焊3 個(gè)切削齒，圖3（b）所示鉆頭圓周方向鑲焊4 個(gè)切削齒，圖3（c）所示鉆頭在徑向方向上鑲焊角度為負(fù)值。

圖2 Apollo 系列載人登月計(jì)劃的采樣裝置Fig.2 Drilling and coring device in the Apollo mission

圖3 月面鉆取鉆頭Fig.3 Core drilling bit for lunar sampling

國(guó)內(nèi)當(dāng)前的研究主要在鉆進(jìn)規(guī)程（進(jìn)尺力、進(jìn)尺速率、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等鉆進(jìn)參數(shù)的匹配）研究、鉆具與模擬月壤相互作用和取心裝置研制上。在鉆具鉆進(jìn)規(guī)程研究方面，劉飛［21］在基于鉆具-月壤相互作用模型的鉆進(jìn)取心性能研究中提出了一種鉆桿與月壤相互作用的等效力學(xué)模型。田野［22］、王麗麗［23］等均采用解析法建立了鉆具與模擬月壤相互作用模型。在鉆具與模擬月壤相互作用研究方面，劉天喜［24］基于離散元法建立了鉆具與模擬月壤作用模型，分析了鉆具鉆進(jìn)模擬月壤過程中的土體流動(dòng)狀態(tài)并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證，但大的土顆粒流動(dòng)特性與月壤具有一定差異，結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。趙德明［25］基于螺旋排土理論建立了鉆具與模擬月壤相互作用模型，該模型能夠?yàn)檎w采用螺旋結(jié)構(gòu)的鉆具設(shè)計(jì)提供參考。史曉萌等［26］基于粉體動(dòng)力學(xué)理論建立了鉆具與模擬月壤相互作用模型，模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。以上列舉的相關(guān)內(nèi)容在鉆具鉆進(jìn)規(guī)程和性能方面做了較多研究，在輕量化研究方面未涉及。所以本文提出一種新方法，將激光選區(qū)熔化技術(shù)制備的三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于滿足月壤鉆進(jìn)特性的輕量化鉆具上。

2 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)輕量化

在航空航天領(lǐng)域中，減重有著重要的作用，在不降低材料性能的前提下，輕量化是航天設(shè)備追求的永恒目標(biāo)。研究表明，航天設(shè)備每減重1 kg 將使系統(tǒng)和燃料用量減少30～100 kg，這意味著采用輕量化的結(jié)構(gòu)可以大幅度地節(jié)省運(yùn)載火箭的發(fā)射成本［27］。

國(guó)內(nèi)對(duì)于輕量化結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用很廣，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的流體高壓成型機(jī)專門用于制造航天大型薄壁整體構(gòu)件，已成功用于貯箱箱底成型［28］。唐杰等［29］對(duì)航天器火工裝置進(jìn)行了輕量化小型化設(shè)計(jì)。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器獨(dú)特的力學(xué)環(huán)境和性能要求對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的課題：結(jié)構(gòu)超輕量化、最佳構(gòu)形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)多功能化等。從結(jié)構(gòu)層面實(shí)現(xiàn)輕量化，主要形式有薄壁、點(diǎn)陣、蜂窩、矩陣拓?fù)浼皫Ы罱Y(jié)構(gòu)等。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，飛行器大構(gòu)件通常采用鋁合金和復(fù)合材料。近年來，輕金屬泡沫材料和蜂窩層板已應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)［30-32］。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是三維有序多孔結(jié)構(gòu)的一種，由周期性的點(diǎn)陣桁架組成［33］。它有著質(zhì)量輕、密度小、比強(qiáng)度高等力學(xué)特性，被認(rèn)為是最有前景的新一代先進(jìn)輕質(zhì)超強(qiáng)韌材料［34-35］。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)最初是由哈佛大學(xué)Evans教授、Hutchison 教授和劍橋大學(xué)Ashby 教授等于2000 年左右提出［36］，近年來，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異力學(xué)性能和多功能可設(shè)計(jì)性越來越受到重視，成為航空航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并取得了廣泛的應(yīng)用。在航空領(lǐng)域多用于大的承載構(gòu)件和散熱結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)等構(gòu)件（圖4）［33］。在航天設(shè)備的應(yīng)用上，中國(guó)航天科技集團(tuán)研發(fā)的微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)采用了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，盡管其質(zhì)量＜9 kg，但承載能力卻達(dá)到了104 kg［37-38］。

圖4 飛機(jī)用激光選區(qū)熔化制造金屬多功能點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig.4 Multifunctional metal lattice structure manufactured with the selective laser melting technique for aircraft

在現(xiàn)代衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主要的承力結(jié)構(gòu)，其中點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)除了具有質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)外，其內(nèi)部開放、貫通的空間還能實(shí)現(xiàn)熱控、吸能、儲(chǔ)能、阻尼于一體的多功能特性［39］。由于月球表面缺少空氣對(duì)流，且沒有輔助冷卻介質(zhì)，僅依靠導(dǎo)熱率極低的月壤進(jìn)行傳導(dǎo)散熱，不僅會(huì)對(duì)鉆具有極大危害，還會(huì)嚴(yán)重影響月巖的鉆進(jìn)效率［40-41］。所以將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)大范圍應(yīng)用在鉆具制造中能夠極大優(yōu)化鉆具系統(tǒng)的效率以及可靠性。

3 激光選區(qū)熔化技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

激光選區(qū)熔化是應(yīng)用最廣泛的增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）的一種。通過把零件3D 模型離散成一系列有序的微米量級(jí)薄層，以激光為熱源逐層熔化金屬粉末直接制造零件。SLM 技術(shù)具有成形件尺寸精度高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異、致密度接近100%等優(yōu)點(diǎn)。GE 航空與3D Systems通過拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，采用SLM 技術(shù)制備的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架在滿足負(fù)載要求的同時(shí)，質(zhì)量比傳統(tǒng)零件減輕了70%［42］。相較于常規(guī)的車、銑、鑄、鍛等加工技術(shù)，其制造周期短、成形件力學(xué)性能好、無需刀具且材料利用率高。此外，該技術(shù)在制造過程中基本不受模具和刀具約束，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面擺脫了制造工藝的限制。該技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)的研究熱點(diǎn)，世界上許多國(guó)家包括中國(guó)都開展了大量研究，歐美有專家認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)有望成為新一次工業(yè)革命的代表性技術(shù)。

激光選區(qū)熔化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的整體化制造，由于減少了裝配組合等工序，取消了一部分焊接鉚接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。圖5 為采用增材制造技術(shù)制備的RS-25 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲接頭，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，采用該技術(shù)可以減少60%以上的零件數(shù)量、焊縫以及機(jī)械加工工序［43］。

圖5 增材制造技術(shù)制備RS-25 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲接頭Fig.5 RS-25 rocket engine bending joint prepared by additive manufacturing technology

激光選區(qū)熔化技術(shù)還有利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用該技術(shù)加工的蜂窩結(jié)構(gòu)和空間三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，特別有利于輕量化設(shè)計(jì)?？臻g三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，比剛度和比強(qiáng)度、吸能性能經(jīng)過設(shè)計(jì)可以優(yōu)于傳統(tǒng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，能夠滿足構(gòu)件的超輕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖6 表示三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)62% 的減重［42］。

圖6 采用不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structures by different optimization design methods

利用SLM 技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)方法無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、空間曲面多孔結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型腔流道結(jié)構(gòu)等，在航空航天領(lǐng)域，可用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴、小型發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪、航空發(fā)動(dòng)機(jī)超冷葉片等。因此，采用空間三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成為未來航天領(lǐng)域上制造輕量化結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。把SLM 工藝與三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以發(fā)揮出SLM 技術(shù)在零件制造方面的最大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件輕量化要求，正符合了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)為一體的設(shè)計(jì)方法。

4 激光選區(qū)熔化制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鉆具可行性分析

我國(guó)探月工程的任務(wù)目標(biāo)是采集2 m 深度的次表層月壤樣品。與月球表層采樣不同，次表層采樣主要采用鉆探取心的采樣方式，取樣鉆具是樣品采集的關(guān)鍵部件，圖7 為一種取樣鉆具。我國(guó)嫦娥工程選用的月壤鉆探取樣方案是用遙控取樣鉆機(jī)，配備硬質(zhì)合金鉆頭，選用空心螺旋鉆具來解決排屑和鉆壓?jiǎn)栴}［44］。

圖7 一種空心螺旋取心鉆具Fig.7 A hollow auger core drilling tool

在整個(gè)取樣鉆具中，鉆頭是與月壤接觸并相互作用最顯著的部分，由于月面環(huán)境復(fù)雜，具有高真空和低重力的特點(diǎn)，且散熱非常困難，因此月面鉆取采樣機(jī)構(gòu)不宜采用金剛石鉆頭。硬質(zhì)合金是鉆探領(lǐng)域大量使用的切削具材料，可鉆性1～7 級(jí)的所有巖石都可用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，不含石英的8～9 級(jí)火成巖也可用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)質(zhì)量好且鉆進(jìn)操作簡(jiǎn)便，最關(guān)鍵的是硬質(zhì)合金可以配合沖擊回轉(zhuǎn)的方式鉆進(jìn)，而沖擊回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)方式是探月工程地面模擬試驗(yàn)中重點(diǎn)研究的鉆進(jìn)方式，因此，硬質(zhì)合金非常適合作為月壤取樣鉆頭的切削具材料。而鉆具其他部分比如鉆桿和取心管等結(jié)構(gòu)，相比于鉆頭，對(duì)結(jié)構(gòu)性能要求較弱。結(jié)合前文所述航天領(lǐng)域輕量化的要求，用SLM 技術(shù)制備的TC4點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)替換傳統(tǒng)鉆具材料，主要是把鉆桿結(jié)構(gòu)用三維點(diǎn)陣夾心結(jié)構(gòu)替換，讓實(shí)現(xiàn)取樣鉆具由輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)替代變得更為可行。

在取樣鉆具輕量化結(jié)構(gòu)的研究上，已經(jīng)提出利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)出的多孔輕質(zhì)結(jié)構(gòu)如點(diǎn)陣、網(wǎng)狀、蜂窩狀等替換鉆具結(jié)構(gòu)的設(shè)想，但是這類結(jié)構(gòu)往往含有空腔導(dǎo)致難以加工，而且現(xiàn)有鉆具存在能源消耗過大等問題，將取樣鉆具做成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)往往會(huì)造成力學(xué)性能的降低。SLM 技術(shù)的出現(xiàn)和成熟很好地解決了這個(gè)問題，高性能SLM 技術(shù)制造出的三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有天然的多孔特性使其擁有良好的力學(xué)性能和物理性能。航天結(jié)構(gòu)件材料通常采用鈦合金和鋁合金，SLM 成型的TC4 構(gòu)件經(jīng)過相應(yīng)的表面處理和熱處理后，其耐磨性、力學(xué)性能明顯提升［45］，其SLM 制件的硬度可達(dá)400～420 HV。理論上，30%左右孔隙率的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)TC4 合金件屈服強(qiáng)度可達(dá)到500 MPa 左右，即可滿足鉆進(jìn)過程中的受力要求。

SLM 成型的TC4 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制件不僅具備輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的抗沖擊吸能作用，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的破壞模式與桿單元材料相關(guān)，當(dāng)采用韌性較好的TC4 材料時(shí)點(diǎn)陣材料具有較好的韌性和吸能作用。承載結(jié)構(gòu)方面，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有高的比強(qiáng)度和比剛度，可用于鉆具中鉆桿的剛度增強(qiáng)填充。功能結(jié)構(gòu)方面，可利用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的大孔隙率，將功能布置在空隙中，實(shí)現(xiàn)鉆具結(jié)構(gòu)承載、防熱等功能的融合。因此，SLM 成型TC4 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)鉆具實(shí)現(xiàn)輕量化并滿足月壤鉆進(jìn)需要的設(shè)想是可行的，而且適應(yīng)月面鉆進(jìn)時(shí)低鉆進(jìn)作用力的特點(diǎn)。這樣的SLM 成型TC4 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)鉆具不僅可以保證鉆探采樣性能，還能實(shí)現(xiàn)整個(gè)鉆具結(jié)構(gòu)的輕量化，節(jié)約昂貴的航天成本。這對(duì)于我國(guó)探月采樣任務(wù)來說是尤為重要的。

5 結(jié)論與展望

本文對(duì)月壤取樣鉆具的研究、激光選區(qū)熔化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在月壤取樣鉆具的應(yīng)用方面進(jìn)行了分析，采用激光選區(qū)熔化技術(shù)制備的三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)取樣鉆具，配合沖擊回轉(zhuǎn)的方式鉆進(jìn)，將能夠很好地適應(yīng)月壤鉆采工作的工程需要，但仍需要大量的研究和反復(fù)試驗(yàn)，尚處于技術(shù)研究階段。

SLM 技術(shù)使得基于功能優(yōu)先的輕量化TC4 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)替換的鉆具的制造和應(yīng)用成為可能，是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，它為材料和結(jié)構(gòu)提供了一種新的制造方法。SLM 技術(shù)的飛速發(fā)展，未來必將成為航空航天鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的主要制造方法之一。我們相信，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的發(fā)展，探月工程也將迎來高速發(fā)展的階段，這一技術(shù)必將走上更高的臺(tái)階，在我國(guó)探月工程中發(fā)揮更大的作用。