電機(jī)軸高速旋轉(zhuǎn)，送絲盤穩(wěn)步傳動(dòng)，真空室內(nèi)絲材快速熔化、沉積成形……中國航空制造技術(shù)研究院高能束流發(fā)生器實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，一臺(tái)兩米見方的3D打印機(jī)正在制造一件精密鈦合金結(jié)構(gòu)件。
“這是我國首次在模擬微重力環(huán)境下，應(yīng)用冷陰極電子槍實(shí)現(xiàn)‘太空級(jí)’3D打印。”日前，中國航空制造技術(shù)研究院研究員、冷陰極電子槍研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人許海鷹告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“該設(shè)備有望成為我國‘太空制造’中的加工利器。”
此前，該技術(shù)長期被國外壟斷。磨劍近十載，團(tuán)隊(duì)先后攻克電源負(fù)載阻抗匹配難、束流功率小等難題，研發(fā)出壽命長、功率大的冷陰極電子槍，并成功應(yīng)用于多個(gè)高端制造領(lǐng)域。
實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)匹配
“在太空中應(yīng)用3D打印，可快速、低成本制造空間結(jié)構(gòu)件、維修工具、探測(cè)器零部件等。我們希望將3D打印機(jī)搬上太空，為人類在太空中長期生存提供支撐。”許海鷹一語道破研發(fā)初衷。
愿望雖好，但征途并不平坦。用什么來熔化耐高溫金屬絲材實(shí)現(xiàn)3D打??？這是團(tuán)隊(duì)面臨的首要問題。大家反復(fù)研判，最終確認(rèn)冷陰極電子槍可擔(dān)此“重任”。
“冷陰極電子槍可產(chǎn)生高能電子束流，猶如一把極熱的‘火’，可熔化高溫合金等材料。”許海鷹介紹，“只要讓它燒得又穩(wěn)又可控，就能保證3D打印連續(xù)工作。”
但是，大家很快發(fā)現(xiàn)，要燒好這把“火”殊為不易，如何讓電源具備實(shí)時(shí)、快速調(diào)節(jié)能力成為最大的“攔路虎”。
“電源是為冷陰極電子槍提供能量的‘心臟’。我們要改裝這顆‘心臟’，讓它自適應(yīng)調(diào)整‘供血’速率，保證電子束流穩(wěn)定輸出。”團(tuán)隊(duì)成員王壯打了個(gè)比方。
改裝“心臟”，談何容易？團(tuán)隊(duì)研究數(shù)月，依然無法定下合適的“手術(shù)”方案。直到有一天，團(tuán)隊(duì)成員、中國航空制造技術(shù)研究院高級(jí)工程師楊波驚奇地發(fā)現(xiàn)，電源控制系統(tǒng)中電感、電容等參數(shù)的微小偏差，竟會(huì)導(dǎo)致電子槍輸出不穩(wěn)定。他敏銳地判斷：“這可能就是‘手術(shù)’方案的切入點(diǎn)！”
團(tuán)隊(duì)像是抓住了“救命稻草”，開始密切關(guān)注這種偏差。只要電源系統(tǒng)出現(xiàn)一點(diǎn)微小波動(dòng)，團(tuán)隊(duì)成員都會(huì)不分日夜，在實(shí)驗(yàn)室里花上幾個(gè)小時(shí)記錄、分析。
經(jīng)過數(shù)月的調(diào)試和優(yōu)化，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一套實(shí)時(shí)電源控制算法。它能夠根據(jù)負(fù)載阻抗的變化自動(dòng)調(diào)整電流、電壓等參數(shù)。冷陰極電子槍終于裝上了一顆“聰明的心臟”，持續(xù)穩(wěn)定地輸出電子束流。
破解大功率難題
攻克電源負(fù)載自適應(yīng)匹配這一難關(guān)后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)又乘勝追擊，逐一解決了高頻電磁干擾、高溫散熱等一系列問題，順利完成了3D打印設(shè)備研制和核心部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
就在大家以為即將大功告成時(shí)，一盆冷水直接澆了個(gè)透心涼——電子束流的功率始終上不來。
適當(dāng)增減工作氣體、修改電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)、更換陰極材料……團(tuán)隊(duì)想盡各種方法調(diào)試，可效果始終不理想，研發(fā)工作一度陷入僵局。
就在團(tuán)隊(duì)心情接近冰點(diǎn)之時(shí)，一次偶然試驗(yàn)中，電子槍輸氣管道出現(xiàn)些許漏氣。讓大家沒想到的是，這時(shí)設(shè)備竟也能輸出較大電子束流，甚至穩(wěn)定度短時(shí)間內(nèi)變高了。“我們大膽猜測(cè)，空氣中的某種成分，可能對(duì)提升束流功率及其穩(wěn)定性有幫助。”王壯記憶猶新。
“冷陰極電子槍內(nèi)，工作氣體在高壓下電離產(chǎn)生等離子體，其中正離子負(fù)責(zé)轟擊陰極金屬，從而激發(fā)其釋放出電子。”楊波解釋，“我們一開始并不知道問題究竟出在哪里，直到這時(shí)才意識(shí)到，調(diào)整電子槍內(nèi)工作氣體‘配方’，應(yīng)該是提升束流功率的關(guān)鍵。”
果然不出所料，團(tuán)隊(duì)在后續(xù)的不斷驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，電子槍中陰極材料——鋁金屬表面氧化而成的氧化鋁，有助于提高陰極電子發(fā)射能力，可使電子束流達(dá)到期望功率且保持穩(wěn)定。
大家立即著手改進(jìn)氣體“配方”，將原來使用的純氦氣，調(diào)整為氦氣與氧氣的混合氣，人為促進(jìn)氧化鋁形成，最終實(shí)現(xiàn)了大功率電子束流的穩(wěn)定輸出。
接下來，團(tuán)隊(duì)又一步步突破了絲束同軸設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，研制出國內(nèi)首臺(tái)基于冷陰極電子槍的3D打印設(shè)備，在地面可實(shí)現(xiàn)1000工作小時(shí)以上的穩(wěn)定熔絲成形。
突破微重力瓶頸
地面3D打印的碩果猶如一劑“強(qiáng)心針”，極大地鼓舞了團(tuán)隊(duì)向浩瀚宇宙“再出發(fā)”。但是，想讓冷陰極電子槍“飛天”，絕非易事。
“太空的微重力環(huán)境對(duì)材料流動(dòng)和沉積行為影響很大，這是我們亟待解決的核心難題。”團(tuán)隊(duì)成員桑興華解釋，“在地面上，用于3D打印的金屬絲材熔化形成熔滴，在重力影響下可直接滴至基板上成形。但在太空中，熔滴反而會(huì)順著絲材‘往上爬’，遠(yuǎn)離基板、無法成形。”
為了突破這一瓶頸，團(tuán)隊(duì)在地面上模擬太空環(huán)境，先后嘗試多種方法，均以失敗告終。項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)在即，倍感壓力的桑興華提出一個(gè)大膽設(shè)想：借鑒電弧焊原理，在絲材上施加脈沖電流，利用電磁力將熔滴“推”向基板。
方案一經(jīng)提出，質(zhì)疑聲便接踵而來——“安全問題怎么解決？”
制備過程中，冷陰極電子槍要與絲材接觸，電子槍本身就有上萬伏高壓，如果絲材再帶電，那么絕緣就成了大問題。稍有不慎就會(huì)“串電”，對(duì)整套控制系統(tǒng)造成不可逆的損傷。
“大家僵持不下，又實(shí)在想不出更好的辦法。”最終，團(tuán)隊(duì)抱著“死馬當(dāng)活馬醫(yī)”的想法，決定全力一搏。
他們立即著手搭建試驗(yàn)平臺(tái)，將電子槍與絲材接觸的部分換成陶瓷絕緣材質(zhì)；為了確保安全，又將送絲電機(jī)、導(dǎo)絲輪等部件進(jìn)行了絕緣處理。
經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，他們?cè)诙潭?周內(nèi)開發(fā)出一套脈沖電流控制裝置，可在模擬的微重力環(huán)境下，讓熔滴從絲材端“流向”基板。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)又攻克了小型化、輕量化難題，最終研制出“太空級(jí)”冷陰極電子槍3D打印原理樣機(jī)，體積僅有地面3D打印設(shè)備的四分之一，有利于大幅節(jié)約發(fā)射成本。
黨的二十屆三中全會(huì)提出，“推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合發(fā)展”“推動(dòng)制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展”。面向未來，許海鷹信心十足：“我們將著力加大科技創(chuàng)新力度，勇攀高能束激發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)高峰，努力實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)自主可控！”
