Part3: 深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件

增材制造（AM）为具有复杂内部特征的精密部件（例如以前不可能通过传统工艺加工出来的带复杂冷却流道的液体火箭发动机推力室）带来了重大的设计和制造机会。

除了减轻重量并实现性能优化外，3D打印技术还可以显着节省成本并缩短制造周期。本期，3D科学谷针对美国NASA宇航局正在开发的一个名为“快速分析和制造推进技术”（RAMPT）的项目，分次(本文为第三篇Part3),与谷友共同深度了解NASA在材料开发方面的尝试，以及两种不同的金属3D打印工艺集成的尝试及所遇到的挑战。（点击打开前两篇Part1,Part2)

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挑战的多重性

/ 核心发力

RAMPT项目的一大核心是铜合金的3D打印实现了足够的成熟度。如今NASA在GRCop-42铜合金的基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术方面具备了足够的成熟度，并通过了热火测试。几家美国国内供应商已使用L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术开发了制造参数，并能够制造目前最大直径为15.6英寸（400毫米）的零件。

GRCop合金的成熟度是RAMPT的核心技术，GRCop-42在L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术方面的成熟还使得允许进一步开发多合金沉积工艺，从而为径向和轴向沉积或熔覆提供探索基础。

用GRCop-42通过L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术制造的各种推力级燃烧室已经完成，这些燃烧室是由各种供应商制造的，随着粉末研发和制造供应链的发展，目前GRCop铜合金的金属3D打印制造流程改善了粉末去除和后处理方面的许多先前挑战。RAMPT还尝试了几种新的设计，事实证明新设计可以成功地提供了额外的性能优势。

▲GRCop-84铜合金通过基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术所制造的燃烧室

来源：NASA

/ 挑战-燃烧室与喷管的耦合

L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术加工的铜合金燃烧室与DED定向能量沉积3D打印的集成中存在一些挑战，例如，使用超级合金进行喷管焊接制备的最佳热处理（即均质化和固溶化）所需的温度要高于GRCop-42铜合金所能“容忍”的温度。这需要对材料特性产生一些影响。集成过程中遇到的其他挑战是操作顺序，其中复合材料护套的温度受到限制，大多数焊接和机加工操作必须在包裹前进行，以免造成损坏。NASA在进行适当的风险管理的同时汲取了经验与教训。

研发人员在GRCop-84铜合金推力室燃烧室的后端直接通过DED定向能量沉积3D打印技术加工JBK-75材料制造了燃烧室喷管。双金属接头是通过L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术加工的，研发人员尝试了各种将这些制造过程与复杂的接头相结合的可行性，吸取了一些教训，并对接缝进行一些重新设计，以提供足够的材料并避免过度加热。

研发人员着手开发了耦合的双金属推力室组件，在图中可以看到这种硬件，这种设计在喷管和燃烧室中加入了连续的冷却通道，并消除了接头处的歧管，该项目还在继续开发和制造7K-lbf和40K-lbf更大尺寸的推力室喷管和铜合金推力室燃烧室耦合。

▲GRCop-84铜合金燃烧室（L-PBF技术所制造）与喷管（DED技术所制造）的耦合

来源：NASA

进化，推动边界扩展与跃升

/ DED的进化

DED定向能量沉积3D打印技术用来制造推力室喷管的优势在于沉积速率和可扩展性，然而这些属性都需要进行大量改进，才能证明其被大规模应用来制造喷管通道壁的前景。此外，尽管NASA目前所使用的DED定向能量沉积3D打印技术无法L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术的所实现的精度相竞争，但它已展示出构建燃烧室喷管应用所需的内冷通道的构建能力。

DED定向能量沉积3D打印技术通过同轴送粉或多喷嘴沉积头，将粉末与惰性载气一起注入到零件的熔池中。熔池是由中央激光能量源产生的，通过惰性气体的保护以最大程度地减少加工过程中金属的氧化。

▲DED技术加工集成冷却流道的推力室喷管

来源：NASA

NASA与行业合作伙伴共同开发了薄壁通道的设计。在图中可以看到DED定向能量沉积3D打印技术加工的一些通道示例。这些通道演示了可能的设计选项，各种加工路径策略以及确定的过程几何形状限制。 

▲来源：NASA

▲DED技术加工的各种截面形状的冷却流道

来源：NASA

/ 材料的进化

RAMPT项目中，NASA最终选择了NASA HR-1材料的开发，与其他超级合金相比，NASA HR-1材料在导热性、高屈服强度、低周疲劳、伸长率、密度和耐氢性之间提供了良好的平衡。与几种替代材料相比，它具有优势。与使用真空感应熔炼（VIM）和真空电弧重熔（VAR）方法所需的现有工艺相比，并且找到了一种经济实惠的NASA HR-1制造关键方法，并简化了粉末和制造供应链。 

在RAMPT项目中，NASA和行业合作伙伴完成了NASA HR-1材料的参数开发和优化，展示了实现薄壁几何形状的高密度定向能量沉积加工技术。已经制备了一系列的金相，机械测试试样用于表征，研究人员发现基于光斑尺寸和激光功率的沉积速率对晶粒尺寸和对热处理有很大影响。早期工艺开发工作完成了喷管结构的无通道并过渡到整体通道。

除了集成的推力室喷管通道开发工作外，DED定向能量沉积3D打印技术还用于RAMPT项目中的其他组件，包括歧管的制造。这进一步证明了3D打印可以减少了许多工艺步骤的优势，这样无需铸造或锻造，大大减少了模具的使用并缩短了所需的最终加工时间。

RAMPT项目的另一个目标是证明整体通道的可行性，这些喷管均展示出成功的制造工艺，满足了几何公差，去除了多余粉末，最小的变形，并开发了制造和加工路径策略。在定向能量沉积金属3D打印和后处理之后，对喷管完成了3D扫描工作，显示出与标称几何形状的偏差小于0.02英寸（0.5毫米）。与传统制造的组件相比，这种整体的通道配置大大减少了不同工序的操作，集成了零件的数量。

此外，DED定向能量沉积3D打印技术已显示出用于完全集成推力室组件的双金属和多合金沉积的可行性，并证明了建造时间的显着减少以及带通道冷却喷管的可行技术。不过，要进入到更大的规模的制造阶段，还需要进行更多的开发工作，NASA目前正在通过NASA太空发射系统（SLS）计划以补充资金与行业合作伙伴合作。 

除此之外，需要注意的是DED定向能量沉积3D打印技术仍然存在一些挑战，包括如何实现所需的表面粗糙度。NASA正在进行研究以评估通道和DED材料的抛光技术，并继续进行基于DED定向能量沉积3D打印技术的NASA HR-1材料的表征工作，以优化热处理并积累机械测试和热物理特征数据。

▲HR-1材料被用来制造喷管（DED技术）

来源：NASA

下期，3D科学谷将分享RAMPT项目在双金属材料与加工工艺开发过程中的具体挑战与进展，敬请关注3D科学谷的后续独家发布的相关分析文章。

参考来源：Lightweight Thrust Chamber Assemblies using Multi- Alloy Additive Manufacturing and Composite Overwrap/2020 AIAA Propulsion and Energy Forum

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3D打印与第四次工业革命

延伸阅读:

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