王 璐 苗 楠 趙永超 張利軍 唐 敏 張力恒 苗 愷 胡潤芝

推進劑/絕熱層一體化材料的增材制造工藝

王 璐1苗 楠1趙永超1張利軍1唐 敏2張力恒1苗 愷3胡潤芝1

（1. 西安航天化學(xué)動力有限公司，西安 710025；2. 航天動力技術(shù)研究院，西安 710038；3. 西安交通大學(xué)，西安 710049）

為了解決傳統(tǒng)裝藥工藝存在的推進劑/絕熱層界面易脫粘、成型工序繁雜等難題，開展了基于光固化的推進劑與絕熱層一體化3D打印成型工藝研究。通過對推進劑和絕熱層擠出頭尺寸的優(yōu)化，提高了打印精細度，減少了界面缺陷。隨后借助雙噴頭打印技術(shù)，研究了推進劑/絕熱層同步成型工藝，通過對擠出流量、線寬、打印速率等調(diào)節(jié)，最終獲得結(jié)構(gòu)完整、異質(zhì)材料結(jié)合緊密、高度統(tǒng)一的一體化材料。

固體推進劑；絕熱層；一體化材料；增材制造

1 引言

隨著武器裝備迭代發(fā)展，導(dǎo)彈彈道的多樣化對動力系統(tǒng)提出了更高要求，固體發(fā)動機裝藥設(shè)計隨之趨于復(fù)雜。而傳統(tǒng)的固體發(fā)動機成型工藝，易導(dǎo)致燃燒室脫粘，且基于手工貼片為主的殼體絕熱層存在質(zhì)量均一性差的問題。以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過逐層堆積的方式構(gòu)筑物體，從而實現(xiàn)推進劑、包覆層甚至發(fā)動機殼體一體化成型的增材制造技術(shù)的發(fā)展為上述問題提供了有效的解決途徑。

目前，多噴頭打印機已經(jīng)可以實現(xiàn)不同材料的同時打印，如果將增材制造技術(shù)成功引入固體發(fā)動機領(lǐng)域，不僅可一體化成型多層多材質(zhì)藥柱，還將有望實現(xiàn)火炸藥包覆藥柱和殼體的自動化、數(shù)字化、一體化、柔性化與集成化制造，縮短武器彈藥生產(chǎn)周期，加快固體火箭發(fā)動機創(chuàng)新設(shè)計探索，促使武器裝備加速更新?lián)Q代。

基于直接擠出式的多噴頭打印方面，河北工業(yè)大學(xué)的馬玉瓊[1]等人設(shè)計了3組基于FDM的噴頭裝置，確定了多噴頭切換精度，實現(xiàn)了無干擾交替打印。北京航空航天大學(xué)的歐攀等[2]采用雙噴頭3D打印裝置實現(xiàn)了PLA和柔性硅橡膠材料的一體化成型。湖北三江航天江河化工科技有限公司的劉超等[3]公布了一種適用3D打印紫外光固化固體推進劑/絕熱層配方及其一體化制造方法，采用兩個料筒進行內(nèi)外逐層打印成型，推進劑的擠出噴頭直徑為1～2mm，絕熱層為2～3mm，二者界面以化學(xué)鍵結(jié)合。在固體推進劑/絕熱層一體化成型技術(shù)方面，現(xiàn)有研究極少。

因此，擬采用增材制造技術(shù)探索復(fù)合固體推進劑/絕熱包覆層一體化制造技術(shù)。借助多噴頭同步擠出技術(shù)，探索推進劑和絕熱層的一體化打印工藝技術(shù)。

2 實驗

推進劑原材料：氧化劑AP選用三種粒度330～340μm、130～140μm、5～10μm；鋁粉粒徑為(29±3)μm，光固化粘合劑為自制，其余原材料為推進劑常用材料。

絕熱層原材料：光固化粘合劑為自制，填料包含耐燒蝕填料、隔熱填料、阻燃填料、固碳劑、補強劑等。

2.1 實驗樣品及其制備

推進劑料漿是將各組分按照配方稱取好后，依加料順序進行混合而得。絕熱層混料過程同推進劑。打印設(shè)備為本單位與西安交通大學(xué)聯(lián)合開發(fā)，包括氣動和螺桿擠出裝置，分別用于推進劑和絕熱層的打印，打印時雙頭按照所設(shè)計的模型解析路徑進行逐層交替打印，同時用紫外光照射定型，打印完成的樣件在硫化爐中進一步熱固化得到完全固化的推進劑/絕熱層一體化材料。

2.2 測試方法

打印推進劑力學(xué)性能依據(jù)QJ924—85測定；打印絕熱層力學(xué)性能依據(jù)QJ916—1985測定；密度測試根據(jù)QJ1616—89標(biāo)準(zhǔn)測試；推進劑靜態(tài)燃速根據(jù)QJ912—85標(biāo)準(zhǔn)測試；絕熱層燒蝕率根據(jù)GJB/J 5228—2003測試；推進劑與絕熱層界面粘接強度根據(jù)QJ2038.1標(biāo)準(zhǔn)測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 適用光固化增材制造的推進劑打印工藝及性能

采用氣動直寫擠出式打印技術(shù)開展光固化固體推進劑的成型工藝研究，光固化基體為自主研發(fā)材料，通過紫外光照固化。打印過程中，篩選了較為合適的擠出頭尺寸，保證推進劑可以順利擠出，且擠出線條不變形。打印的光固化推進劑樣件如圖1所示，從圖可知，打印的推進劑平面致密光滑，截面呈層狀結(jié)構(gòu)。對比圖1a和圖1c，發(fā)現(xiàn)二者所顯示的推進劑層間致密度存在差異，圖1a中推進劑采用內(nèi)徑為1.8mm的擠出頭進行成型，層間界面存在較為明顯的細小孔隙；而圖1c中推進劑采用內(nèi)徑為1.3mm的擠出頭進行成型，層間界面幾乎觀察不到明顯缺陷。因此，隨著打印擠出頭的內(nèi)徑尺寸減小，打印致密度增加。同時，圖1b所展示的方型藥柱采用內(nèi)徑1.8mm擠出頭成型，藥柱表面明顯觀察到線條，結(jié)構(gòu)較為粗糙；而圖1d所展示的星型藥柱采用內(nèi)徑1.3mm擠出頭成型，藥柱表面結(jié)構(gòu)較為光滑，說明擠出頭內(nèi)徑越小，打印推進劑的結(jié)構(gòu)越精細。

圖1 不同尺寸擠出頭成型的推進劑樣件

在研究固體填料種類、含量、粒度對光固化性能影響的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了不同性能的推進劑真藥配方，其中固化參數(shù)=1.10～1.15，具體性能如表1所示。目前，研究獲得75%～87%固含量的打印推進劑配方，其最大拉伸強度0.68～0.95MPa可調(diào)，斷裂伸長率32.2%～48.8%可調(diào)，密度1.58～1.72g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)壓強下靜態(tài)燃速4.0～15.0mm/s。所有性能參數(shù)已達到固體發(fā)動機設(shè)計要求。

表1 打印推進劑性能數(shù)據(jù)表

3.2 適用光固化增材制造的絕熱包覆層打印工藝及性能

絕熱包覆層采用螺桿擠出式打印技術(shù)成型，材料為自主研發(fā)的紫外光固化絕熱層。打印過程中，篩選了較為合適的擠出頭內(nèi)徑尺寸，保證絕熱層可以順利擠出，且擠出線條不變形。打印的光固化絕熱層樣件如圖2所示，絕熱層呈層狀結(jié)構(gòu)。由于絕熱層光固化速率快（2～5s），其表面平整度與擠出頭大小緊密相關(guān)。圖2a所示為內(nèi)徑1.6mm擠出頭打印的樣件，表面較為粗糙，可明顯觀察到走線線條。圖2b所示為內(nèi)徑1.3mm擠出頭打印樣件，表面平整度得到顯著改善；圖2c所示采用相同內(nèi)徑擠出頭打印的啞鈴型樣件。

圖2 不同尺寸擠出頭成型的絕熱層樣件

表2所示為光固化絕熱層的性能，最大拉伸強度3.30～4.10MPa，斷裂伸長率90%～115%，氧乙炔燒蝕率≤0.2mm/s，滿足發(fā)動機設(shè)計要求。

表2 光固化絕熱包覆層的性能

3.3 適用光固化增材制造的推進劑/絕熱包覆層打印工藝及性能

采用氣動擠出方式和螺桿擠出方式分別進行推進劑和絕熱層的打印工藝試驗。打印過程中，采取平臺運動、雙噴頭保持固定的方式完成樣件成型。通過調(diào)節(jié)推進劑和絕熱層的擠出流量、雙頭各自的擠出線寬、走線方式和走線速率，獲得較為穩(wěn)定的打印工藝。推進劑和絕熱層的擠出頭內(nèi)徑均為1.3mm，具體的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)如表3所示，相應(yīng)參數(shù)下打印的一體化樣件（60mm）如圖3所示。

表3 推進劑/絕熱層一體化打印工藝參數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)

項目推進劑打印工藝參數(shù)絕熱層打印工藝參數(shù) 走線方式氣壓/MPa線寬/mm走線速率/mm?s-1走線方式流量/%線寬/ mm走線速率/mm?s-1 試驗1同心圓0.151.220同心圓200340 試驗2同心圓0.151.220同心圓1502.235 試驗3同心圓0.151.220同心圓120230 試驗4折線0.111.125同心圓1201.525 試驗5折線0.111.125同心圓1001.130

從圖3a和圖3b所示樣件打印質(zhì)量可知，當(dāng)絕熱層擠出流量過大時（150%～200%），進料閥門的開啟無法及時且穩(wěn)定控制出料量，導(dǎo)致其瞬間出料量過大，線條過粗。但由于絕熱層的固化深度有限（1.5mm），致使打印結(jié)構(gòu)無法自支撐，容易塌陷；同時絕熱層與推進劑之間相互摻雜，嚴重影響打印質(zhì)量。隨著絕熱層擠出流量下降至120%，絕熱層的線寬得到控制，獲得較為規(guī)整的打印結(jié)構(gòu)，但推進劑和絕熱層層高存在明顯差異。一方面是由于二者的擠出流量匹配度不足；另一方面原因是采用同心圓成型較小尺寸的樣件存在內(nèi)部線條重疊率過高而造成的層高過高現(xiàn)象。隨后，基于上述試驗趨勢，調(diào)節(jié)了推進劑的給料壓強（流量）、線寬，并將其走線方式由同心圓改為折線，獲得圖3d所示的樣件。樣件整體結(jié)構(gòu)完整，高度統(tǒng)一，異質(zhì)材料界面緊密貼合，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。進一步對絕熱層流量和線寬進行優(yōu)化后，最終獲得如圖3e所示的樣件，絕熱層寬度為3.3mm，藥柱高度20mm。

采用方坯和蘑菇頭試件拉伸試驗測試了打印推進劑和絕熱層的界面粘接強度，一體化樣件與鋼試件間采用聚氨酯高強度粘接材料對粘，拉伸測試結(jié)果如圖4所示?？捎^察到斷裂發(fā)生在推進劑內(nèi)部，測得扯離強度為0.9MPa，表明推進劑與絕熱層界面粘接良好且強度較高。

圖4 一體化打印樣件的界面粘接性能測試結(jié)果

4 結(jié)束語

a. 對比不同尺寸擠出頭成型的推進劑樣件，擠出頭內(nèi)徑越小，推進劑的打印結(jié)構(gòu)越精細。同時開發(fā)出了75%～87%固含量的推進劑真藥配方，其最大拉伸強度0.68～0.95MPa，斷裂伸長率32.2%～48.8%，密度1.58～1.72g/cm3，燃速4.0～15.0mm/s，性能滿足發(fā)動機設(shè)計需求。

b. 通過調(diào)節(jié)絕熱層擠出頭內(nèi)徑，獲得結(jié)構(gòu)精細平整的絕熱層樣件。光固化絕熱層最大拉伸強度3.3～4.1MPa，斷裂伸長率90%～115%，燒蝕率≤0.2mm/s，滿足發(fā)動機設(shè)計要求。

c. 采用雙噴頭同步打印技術(shù)，獲得60mm×20mm的推進劑/絕熱層一體化包覆藥柱，藥柱結(jié)構(gòu)致密完整，異質(zhì)界面結(jié)合緊密，結(jié)合強度可達到0.9MPa。

1 馬玉瓊，鄭紅偉，王鐵成，等. 基于FDM技術(shù)的多噴頭3D打印機關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 機床與液壓，2020，48(4)：33～36

2 歐攀，劉澤陽，高漢麟，等. 基于柔性材料的雙噴頭3D打印技術(shù)研究[J].工具技術(shù)，2019，53(5)：24～27

3 劉超，張習(xí)龍，鄧健如，等. 3D打印固體推進劑/絕熱層配方及其一體化制備方法[P]. 國家發(fā)明專利，CN111559948A，2020

Addictive Manufacturing Process of Solid Propellant/Insulation Integrated Material

Wang Lu1Miao Nan1Zhao Yongchao1Zhang Lijun1Tang Min2Zhang Liheng1Miao Kai3Hu Runzhi1

(1. Xi’an Aerospace Chemical Power Co., Ltd., Xi’an 710025; 2. Aerospace Power Technology Research Insititute, Xi’an 710038; 3. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

In order to solve the difficult problems of easy debonding between propellant and insulation layer and the complicated molding process, the 3D printing process based on light curing of propellant and insulation layer integrated material was studied. By optimizing the inner diameter of the extrusion head, the printing precision of propellant and insulation layer was improved and the interface defects between them were reduced. Subsequently, with the help of double printing equipment, the synchronous molding process of propellant/insulation layer was studied. Through adjusting the extrusion flow, line width and line speed, the integrated materials with complete structure, closely combined interface and same height were finally obtained.

solid propellant；insulation layer；integrated materials；addictive manufacturing

V512

A

王璐（1991），高級工程師，固體推進劑專業(yè)；研究方向：固體推進劑增材制造。

2022-09-21