空间金属增材制造技术应用

高能束流金属增材制造技术以激光和电子束作为热源,通过选区熔化粉末或熔丝沉积成型来实现金属零部件的制造.根据金属增材制造技术在空间领域的发展,结合空间站和深空探测强约束条件对在轨制造设备尺寸、重量、功耗、寿命提出的更高要求,对比激光与电子束两种热源的工作模式,进行在轨可行性分析,提出未来空间金属增材制造技术发展所面临的问题与解决途径.      

金属材料快速凝固激光加工与成形

报道近年来在先进金属材料快速凝固激光表面改性、金属间化合物高温耐磨耐蚀涂层新材料快速凝固激光熔覆制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展, 主要内容包括:钛合金激光表面合金化及激光熔覆表面改性、激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、小面相非平衡凝固液固界面结构及生长机制、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术.      

增材制造技术在载人航天工程中的应用与展望

近年来,增材制造技术在载人航天工程中的应用迅速发展。对熔融沉积成型技术、激光选区熔化技术、线材电弧增材制造技术、热喷涂增材技术、月壤增材制造技术等用于载人航天工程的增材制造技术及这些技术的应用领域进行了总结。对增材制造技术在在轨制造飞行器替换件、制造大型桁架等难以在地面制造或发射的部件、制造飞行器复杂部件等应用领域进行了总结。提出未来载人航天工程技术的增材制造中应发展适合载人航天工程的材料体系,应研究微重力环境下的增材制造技术,同时未来还应发展相关工艺。     

基于损伤力学的增材制造金属材料疲劳寿命预测

增材制造(AM)技术发展迅速，广泛应用于航空航天领域合金构件的加工制造，而很多增材制造合金构件承受循环载荷，疲劳失效破坏十分普遍。通过建立考虑增材制造过程影响的疲劳损伤模型，计算了增材制造金属材料的疲劳寿命。给出了弹塑性本构模型和考虑增材制造过程参数的疲劳损伤模型，进而给出了疲劳寿命计算的有限元数值方法；对增材制造金属材料进行了疲劳寿命预测，预测值与试验值基本吻合，并从疲劳数据的分散性及增材制造金属材料内部的孔隙率2个方面分析了计算误差；讨论了体积能量密度比对增材制造金属材料疲劳性能的影响，并对结果进行了分析，为增材制造金属材料的疲劳损伤评定提供一种有效的方法。      

TB2钛合金薄壁波纹板的超塑性成形技术研究

论述了TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)钛合金的超塑性成形在空间飞行器结构件—波纹板(厚0.25mm)制造上的应用技术,内容包括成形工艺参数和试验装置。结果表明,TB2钛合金粗晶板材,不经过组织细化处理,在750±10℃时具有良好的超塑性,并在超塑性成形过程中发生动态再结晶,使晶粒细化;同时,强度(δ_b)和塑性(δ)均有所提高。对于TB2薄壁波纹板而言,不锈钢(1Cr18Ni9Ti)成形模具及其平面密封结构能够满足超塑性成形的使用要求。     

微重力与电磁场对凝固过程的影响

欧洲空间局两项材料领域课题MICAST和CETSOL均涉及微重力科学相关研究.通过等轴晶柱状晶转变（CET）分析了微重力环境对材料凝固过程的影响;介绍了一项在地面施加行波电磁场的标准（Benchmark）凝固实验,其温度场演化及微观凝固组织和浓度偏析均展示了磁控受迫对流对金属材料凝固过程的显著作用.      

空间在轨增材制造技术的研究进展与展望

空间在轨增材制造（in-space additive manufacturing,ISAM）技术是一种“空间3D”打印技术,在在轨制造和空间基地建造方面具有很好的应用前景。首先概述了空间在轨增材制造技术的主要内涵,进而全面梳理了国际上空间在轨增材制造技术的研究进展。结合空间站、在轨航天器的需求,重点分析了空间在轨增材制造关键技术对其原材料、技术手段以及设备的要求,在此基础上梳理了空间在轨增材制造技术现阶段面临的挑战。综合表明,特殊的空间环境（微重力、高真空等）都在紧密限制着空间在轨原材料、设备以及技术的选用。最后,基于当前空间在轨制造技术的发展现状、需求以及可能的实现途径,为中国空间在轨增材制造技术的未来发展指明了新的方向。     

空间增材制造技术的应用

中国空间站旨在进行大量在轨科学实验和空间应用研究,在轨保障是支持空间站在全寿命周期内完成载人航天任务的重要途径.传统地面制造及上行补给方式难以满足较大规模应用的需求,亟需一种创新性的保障模式突破资源瓶颈,空间增材制造技术具有极大的潜力实现即造即用的资源保障模式.本文根据空间增材制造技术的最新研究进展,结合中国空间站和载人深空探测任务需求,对空间增材制造技术的在轨应用模式进行分析,提出了中国空间增材制造技术未来发展所面临的问题和解决途径.      

国外3D打印技术在航天领域的应用分析

2014年12月17日,美国商业公司研制的全球首台微重力3D打印机在"国际空间站"依照美国航空航天局从地面发送的设计文件打印出套筒扳手。3D打印机未来有望用于制造"国际空间站"30%以上的备用部件。近年,美、欧、日等国家或组织积极开展了3D打印技术(又称增材制造技术)在航天领域的研究与应用。尽管目前在太空中进行3D打印尚处于试验验证阶段,但已规划与实施的诸多在地面上进行增材制造的项目表明:3D打印技术已在卫星与火箭等航天制造领域显示出重要的发展价值和应用潜力。调查显示,其在航空航天工业领域的应用份额已占全部应用领域的10%以上。     

高强铝合金复合脉冲VPTIG焊缝组织和性能

采用超快速变换复合超音频脉冲方波变极性TIG电弧焊接工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究分析了焊缝显微组织和接头拉伸性能变化.结果表明,2219-T87铝合金复合超音频脉冲电流变极性焊接接头的组织和性能均发生显著变化,焊缝区显微组织明显细化,由粗大柱状晶向细小等轴晶转变,接头抗拉强度和断后伸长率显著提高.接头断口由脆性断裂主要特征转变为"韧性+脆性"的混合型断裂模式.在一定范围内,脉冲电流频率越高,脉冲占空比越小,作用效果越明显.复合超音频脉冲电流频率为40 kHz,脉冲电流占空比为20%时,接头抗拉强度和断后伸长率分别达到母材金属的70%和58%.     

微型微焦斑X射线闭管及阴极丝电子发射差异性

行星岩石成分原位测量是行星探测的基本需求,X射线荧光分析是开展元素成分测量的重要技术手段。针对深空探测X射线荧光分析仪的需要,设计并研制了一款微型微焦斑X射线闭管,尺寸为Φ15 mm×22 mm,焦斑尺寸230μm,工作时阳极接地,阴极接浮地负高压,最大电压为–50 kV。在微型X射线闭管研制过程中,开展了螺旋型钨丝、直线型钨丝、直线型铼钨丝等常用热阴极的电子发射差异性研究,测量了各型热阴极的电子发射效率。结果显示,在200 V阳极电压下,低铼含量直线型铼钨丝电子发射效率最大为27.87μA·W^–1,是螺旋型钨丝的4倍,直线型钨丝的9倍;掺铼钨丝电子发射效率远高于纯钨型阴极丝。此外,铼钨丝还具有电子发射快、预热要求低、对真空度要求不高等特点,是深空探测X射线闭管阴极丝较理想的选择。     

激光与热丝点火对多组分液滴着火及燃烧的影响

采用挂滴方法,实验研究多组分单液滴的着火和燃烧特性,考察激光和热丝两种点火方式对液滴燃烧速率、火焰形貌及着火延迟时间的影响.实验结果表明,随着热丝点火时间增加,燃烧速率因液滴周围自然对流增强而加快.常重力下液滴火焰为包覆型火焰,火焰高度与液滴初始直径之比的最大值约为18.当t/t_b>0.4时,尚处于热丝加热阶段的火焰高度比没有热丝加热的高约5D₀,比激光关闭后的火焰高度高5~10D₀.与热丝点火相比,激光点火响应迅速,对液滴附近气体干扰小,是地面上比较理想的点火方式.固定激光脉冲时间,随着激光强度的增加,单液滴的着火延迟时间缩短.      

液滴辐射器液滴层的优化设计

为有效提高液滴辐射器液滴层的辐射热通量,建立了矩形液滴辐射器三维液滴层非稳态辐射传热模型。采用FLUENT软件,针对液滴层辐射换热过程进行了模拟。数值分析了液滴分布特征、液滴初始温度、飞行速度、液滴间距、直径、液滴层长度及质量流率等7种因素与液滴层辐射热通量的关系及对其敏感度,提出了一种新的液滴层结构型式——中空型液滴层。结果表明,除液滴层长度和质量流率外,液滴间距和初始温度对辐射器液滴层的传热功率影响较大。在厚度方向液滴层数为100层、质量流率为12kg/s的条件下,中空型液滴层设计能将单位质量辐射热通量提高2~3倍。     

新型电子束焊机阴极加热电源自动调节系统

开发了一种新型电子束焊机阴极加热电源自动调节系统,包括新型主电路拓扑和对应控制策略,该系统能够使阴极处在最佳加热电流状态,从而提高电子束流稳定性.并且在检测到电子枪未加高压时,阴极加热电流自动关闭,在加有高压但束流给定为零时,阴极加热电流自动减少,能大幅增加阴极的使用寿命.经试验证明该系统相比传统阴极加热电源操作简洁、快速和准确,对焊缝成形质量好.     

一种新型Z-Pinch PPT的设计和试验

提出一种基于Z-Pinch原理但无需火花塞而自点火新型微脉冲等离子体推力器（Z-Pinch SI PPT）。为了降低推力器的点火电压以及去掉尺寸减小和轻量化的限制,采用点火和放电一体化的改性聚四氟乙烯为推进剂,两个电极分别为钉状阳极和中心有孔的阴极。相比于传统Z Pinch PPT和平行板脉冲等离子体推力器,该推力器的优点是没有活动部件、火花塞以及为火花塞供电的电源,结构更加简单紧凑。目前研制的该型推力器本体尺寸包络仅有21mm左右,质量为15g。在保持较大推功比优势基础上,点火放电的电压峰值仅为同样自点火的同轴PPT的24%,气体PPT的2.4%。真空舱内多次点火实现累计脉冲1万多次的试验结果表明,该推力器点火电压为480V,推功比为17.83μN/W,平均推力为85.6μN。     

Regolith-derived ferrosilicon as a potential feedstock material for wire-based additive manufacturing

Ferrosilicon is a primary metallic alloy produced during the reduction of metal oxides contained in lunar and Martian regolith by a variety of techniques. This study examines the usefulness of ferrosilicon as a candidate feedstock material for wire-based 3D printers designed for in-space manufacturing. Alloys of composition ranging from pure iron to 12?wt% Si were synthesized and their electrical and mechanical properties characterized. The melts were cast into rods for mechanical testing to determine ultimate strength and ductility. It was determined that the samples above 3?wt% Si were too brittle to be pulled into wire and ruptured at low strain values. The 3?wt% Si sample and iron had comparable mechanical properties relative to samples of higher silicon content but with differences in ductility and ultimate strength. Microstructure and compositional studies revealed the differences between the ductile and brittle samples as being the complete ferrite phase presence on the iron and low-Si content samples. This study establishes an upper limit on the Si content at 3?wt% in ferrosilicon materials to be used in wire feedstock in additive manufacturing for in-space applications.     

Production of hydrocarbons and nitriles by electrical processes in Titan's atmosphere.

Although lightning has not been observed in Titan's atmosphere, the presence of methane rain in the troposphere suggests the possibility of electrical activity in the form of corona and/or lightning discharges. Here we examine the chemical effects of these electrical processes on a Titan simulated atmosphere composed of CH4 in N2 at various mixing ratios. Corona discharges were simulated in two different experimental arrays. For the detection of reactive intermediates we used a mass spectrometer to study the main positive ions arising by bombarding low-energy electrons from a hot filament into low-pressure methane. The final stable products, generated by applying a high voltage in a coaxial reactor with either positive or negative polarity, were separated and detected by gas chromatography-Fourier transform infrared spectroscopy and electron impact mass spectrometry (GC-FTIR-MS). Lightning discharges were simulated by a hot and dense plasma generated by a Nd-YAG laser and the final products were separated and detected by GC-FTIR-MS. Corona discharges produce linear and branched hydrocarbons as well as nitriles whereas lightning discharges generate mainly unsaturated hydrocarbons and nitriles. Lightning discharges are about 2 orders of magnitude more efficient in product formation than corona discharges.     

射电天文保护滤波器

本文介绍了射电天文波段保护滤波器,它是一种结构新颖的同轴带阻滤波器。这个滤波器使用了λ/4同轴腔谐振器和外方内圆的传输线。在研制中充分应用了同轴滤波器的设计技术,获得了高阻带衰减、低通带插入损耗的满意的实测结果。