液体火箭发动机钛合金叶轮的3D打印制造方案

钛合金叶轮是液氧甲烷发动机涡轮泵的核心部件之一，服役环境极为严苛。其环境温度条件达到-161.5°C的极低温，受力条件则需承载每分钟数万转的巨大离心力。因此，在材质的极低温力学性能、叶轮的同心度、叶形的表面质量和完整度等方面，有极高的“控性”和“控形”技术要求。

极低温力学性能

叶轮需要在极低温条件下高速旋转，承受极大的离心力。更好的极低温塑性使得叶轮对缺陷的包容度更大，发生破坏性事故的风险更低。经过显微组织研究发现，常规激光成形工艺条件下，钛合金的显微组织中形成较多的针状相αʹ，位错滑移困难且易导致应力集中，影响极低温条件下材料的塑性。通过精准控制热循环过程，可以消除这种针状组织，并诱导形成均匀分布的等轴晶与亚稳态β相。这种显微组织既保持了材料的强度，又为位错提供了更多的滑移路径，很好地改善了材料的极低温塑性。最终，我们使叶轮在-196°C的极低温测试条件下的拉伸延伸率达到12%，较原先提高了50%，完全实现了设计的技术指标要求。

测试温度	测试方向	屈服强度, MPa	抗拉强度, MPa	延伸率, %
室温	横向	870	960	17
	纵向	895	960	17
-196°C	横向	1500	1530	12
	纵向	1405	1465	12

叶轮的同心度

叶轮以每分钟数万转的速度高速旋转，更高的同心度可保障叶轮旋转时的动平衡，保证动态稳定性、减少振动，确保流体动力学性能、减少能量损失。在叶轮的成形过程中，为了优化支撑结构、提高打印质量和精度，往往采用45°角打印的方式。叶轮在径向上的不对称热循环，会引起不均匀收缩，进而影响叶轮的同心度。通过控制叶轮的温度场分布，消除径向不均匀收缩，使叶轮的同心度得到大幅度改善，显著降低了叶轮的动平衡调试的难度。

叶形的完整度和表面质量

叶形的完整度和表面质量，对流体的流动效率、稳定性及部件的结构完整性有至关重要的影响。采用3D打印技术生产叶轮时，不可避免地增加一定数量的支撑结构。在去除支撑时，对叶形的完整度和表面质量产生一定程度的破坏。通过热场管理和打印参数控制，弱化多数支撑结构，使其对叶形表面的影响显著降低，同时采用磨粒流和机械打磨相结合的方式，对叶轮曲面的各个位置实现精准地抛光处理，流道内部的叶形和叶片倒角处表面光滑、无凹坑、无残留。