增材制造液体火箭发动机推力室端到端的工艺评价（2）

江苏激光联盟导读：

本文探讨了增材制造液体火箭发动机的最新技术、挑战和机遇。本文为第二部分。

4. 端到端增材制造工艺

增材制造是一种过程敏感的生产技术，在这种技术中，材料特性的变化可以在没有正确控制的情况下预期。(亚表面)缺陷的潜在存在、表面粗糙度的增加、材料性能的各向异性以及与实际零件相似的见证券引入了对验证和验证产品保证过程的独特要求。人们认为，当零件或见证券在构建过程中具有相同的热历史时，它们可以满足相同的要求。严格控制从粉末供应链到AM流程、培训、配置控制、后处理、代表性材料特性采样计划和数据库的整个过程，对关键空间作业至关重要。NASA文件提供了这种获得合格冶金计划(QMP)、零件临界度分类和过程控制的确认方法。许多其他国际组织正在为AM过程的资格鉴定开发独特的标准。

之前的一些出版物提出了一种针对增材制造零件的系统验证/验证逻辑。此外，在机构一级，已经为空间应用的PBF进程制定了若干标准。基于上述标准和出版物中提供的经验和典型程序，在本工作中开发了一个过程逻辑图，如图7所示。这个N2图表说明了主要步骤和AM推力室设计、生产和测试的依赖关系。在图中，行表示输出，而列表示不同设计阶段的输入。

图7 N2图显示了高端端到端AM推力室的设计、制造和鉴定逻辑。

4.端到端增材制造工艺

增材制造是一种对工艺敏感的生产技术，在没有正确控制的情况下，材料特性的变化是可以预期的。（地下）缺陷的潜在存在、表面粗糙度的增加、各向异性材料特性，以及见证试样与实际零件的相似性，对验证和确认产品保证过程提出了独特的要求。人们认为，当零件或见证试件在制造过程中具有相同的热历史时，它们可以满足相同的要求。从粉末供应链到AM流程、培训、配置控制、后处理、代表性材料特性取样计划和数据库的整个过程的严格控制对于关键的空间操作至关重要。NASA文件中提供了针对合格冶金计划（QMP）、零件临界性分类和过程控制的鉴定方法。许多其他国际组织正在为AM工艺的鉴定制定独特的标准。

之前的几份出版物提出了增材制造零件的系统验证/确认逻辑。此外，在机构层面，已经为空间应用的PBF过程制定了若干标准。根据上述标准和出版物中提供的经验和典型程序，本工作开发了流程逻辑图，如图7所示。该N2图说明了AM推力室设计、生产和测试的主要步骤及其相关性。在图中，行表示输出，而列表示不同设计阶段的输入。

4.1. AM工艺的腔体设计与选择

燃烧室的设计从一系列要求开始，这些要求源于发动机系统必须完成的任务。根据这些要求，可以定义特定的推进剂组合（图7中的步骤1）和一组操作条件。这与腔室材料的选择（步骤2）以及最终腔室的设计和分析（步骤3）密切相关。需要注意的是，所使用的AM生产过程（L-PBF/DED）已经对可行设计空间施加了要求和约束，如图7中的相关性所示。

有许多参数会影响决定最合适的AM生产工艺（步骤4），例如商业可用性、成本、质量和材料可用性。此外，生产工艺的可能构建尺寸和特征分辨率对推力室特别重要。DED和L-PBF的尺寸限制在图8左图中定性说明。该数字是通过考虑所有主要欧洲和美国AM机器供应商的AM机器制造量得出的。标记指示适合构建体积的最大腔室直径/高度。作为参考，航天飞机主机（SSME）或RS-25的尺寸用虚线表示。

图8清楚地显示了大多数商用L-PBF机器的尺寸限制。大型推力室（如SSME）通常更适用于DED。虽然如图所示，大小当然是一个限制，但各种过程也有构建特性的限制。L-PBF确实具有优势，因为它可以在如上所述的打印过程中提供更精细的功能。图8右侧显示了构建直径与可重复制造的特征尺寸的比较。应该注意的是，虽然L-PBF是通用的，但各种商用机器确实使用不同的光斑尺寸。

图8 L-PBF与DED推力室生产工艺比较。左图:参照航天飞机主引擎(SSME)，构建商业AM机器的外壳概述。右图:典型的最小特征尺寸和构建直径。

这些制造限制限制了当前技术的生产能力，许多当前正在制造的发动机的尺寸都能适应这种限制。由于AM流程，一些设计交易正在进行中。对于相同的推进剂吞吐量，增加燃烧室压力可以大大减小燃烧室直径。然而，由于燃烧室体积通常受到推进剂停留时间的限制，这可能会导致长圆柱形燃烧室截面，超过L-PBF构建包线的高度限制。围绕这个问题的一个实际解决方案是将腔体制作成多个部件，这已在各种应用中得到证明。这些多片式燃烧室轴向分开，环形接头焊接、栓接或连接。多件式推力室的生产增加了设计的复杂性，并增加了生产成本。然而，商用L-PBF机器比大型DED增材制造机器多得多。从成本或进度的角度来看，这种解决方案可能更有效，但解决方案必须根据具体情况进行交易。

4.2. 原料质量验证

AM过程中获得的最终性能在很大程度上取决于工艺所用原料的质量（图7中的步骤4）。因此，原料的鉴定和控制对于制造出能够满足相同要求的零件至关重要（步骤5）。可用于原料鉴定的通用标准包括：

•化学成分可能会暴露原材料中的污染物，对于粉末工艺而言，可以量化和控制粉末中的任何微量元素。后者在建造操作、热处理和将获得的机械性能期间非常重要。控制粉末制造方法也很重要，包括正确混合粉末加热和禁止后期添加。

•粒度分布和形态。对于粉末工艺，据报道，获得的表面光洁度大致相当于使用的粉末直径。此外，试验数据表明，粉末尺寸（和形状）对达到的强度和伸长率有显著影响。粉末的尺寸和形态对于成功制造AM的过程中的流动性和铺展性也至关重要，这将导致足够的性能。

•湿度一些原材料，如铜和铝，容易吸收水分。这种水分会在建造过程中大大增加孔隙度。

•搬运和包装。必须正确处理材料，以避免环境氧化，并避免外部污染。

一些增材制造工艺，如L-PBF和LP-DED，允许回收多余的粉末，但必须满足严格的控制，以跟踪回收的粉末。对于在制造过程中经过热循环的再生粉末，需要重新鉴定。

4.3. 推力室和验证试样的制造

原料合格后，可以建造推力室（步骤7）。影响L-PBF或DED构建过程的参数有很多，包括热源功率、移动/扫描速度、层高度、零件在构建板上的放置、构建室环境、激光光斑大小、阴影间距/重叠、轮廓间距/重叠（如果适用）、激光定时、激光扫描策略，以及重水臂的类型。应该注意的是，这只是一个短名单，还有许多其他参数会影响构建。

存在一组最佳参数和机器配置，以实现芯材的最小孔隙率和最有利的机械性能。然而，必须了解这些参数和非标称条件的相互作用，以确保它们满足标称加工箱的要求。在构建操作期间，也使用了不同的L-PBF参数集，其中一组用于材料芯，这可能会影响密度和机械性能，而另一组用于轮廓，这将提供所有外部和内部特征的最终表面光洁度（图9）。应注意的是，这些参数在合金、零件几何形状、不同AM技术和机器之间会有所不同。因此，尽管使用了原料，但推力室制造工艺的鉴定应包括记录整个工艺和供应链所有输入的工艺的完整配置控制。为了获得具有代表性的机械性能、表面光洁度见证样品或其他破坏性和非破坏性评估（NDE），还需要在施工区域内制定适当的取样计划。

图9 L-PBF生产的已建成GRCop-84结构:(a)核心参数和结构，(b)轮廓参数。

当零件结合了高热质量和低热质量的截面，并导致更高的残余应力，从而导致厚壁和薄壁截面的失效时，可能会产生挑战。Rome等人举了一个低热质再生冷却回路的例子，该回路上连接有一个高热质法兰。由于冷却结构散热不良，推力室热变形，导致与L-PBF机器的粉末回收臂发生碰撞。通过在法兰上添加更多支撑结构，更快地散热，并允许正确连接到构建板，解决了这个特殊问题。支持结构可能会产生负面后果，尽管它会增加后期流程和构建中出现故障的其他机会。设计良好的零件应消除或减少支撑结构，仅在必要时使用。

4.4. 除粉

对于所有PBF增材制造工艺而言，粉末去除是一个基本的制造后程序，因此应包含在推力室的设计要求中。当创建带有内腔的零件（如冷却液通道）时，必须有一定的可接近性以正确去除粉末。NASA的实验表明，冷却剂通道内的粉末固结可能非常显著，如图10所示。影响粉末固结的因素有几个，包括设计、工艺过程中使用的参数、建造和建造后的气氛、残余水分和后处理操作顺序。粉末去除采用了几种技术，包括气动冲洗、振动技术、变频正弦扫掠、对成型板的钝击、酒精浸泡和真空操作。在NASA报告的腔室早期开发过程中，正确清除所有粉末是一项挑战，通常会导致通道完全堵塞。最后，由于冷却通道无法从歧管端口很好地接近，因此在外室壁上切割了一个小凹槽，以物理方式去除粉末，然后用开口环焊接接头密封。这些经验教训导致了设计上的改变，以便更好地去除粉末。

图10 在计算机断层扫描中显示的完全和部分阻塞的内部通道的例子。

Gibson等人提供了通道堵塞的一个可能原因，他们报告说，在刚刚熔化在一起的区域周围，多余粉末中的强烈热梯度可能导致粉末在周围聚集。如果周长处的温度足够高，这可能会导致周长处出现意外烧结，如图11所示。尤其是在狭窄的受限区域，如冷却通道，这可能会在清除粉末时带来问题。这些高温度梯度在薄壁截面中更为明显，例如通道的肋或焊环。墙壁的坡度也是一个重要的考虑因素，因为粗糙度会根据倾斜角度和方向而变化。高粗糙度会导致更多粉末粘附在壁上，并增加粉末被困在狭窄通道中的可能性。

图11 墙壁上粉末意外烧结示意图。

通道中多余的粉末通常可以通过气动冲洗通道，与真空交替进行。另一种方法是将气动冲洗与振动腔室相结合。其他方法包括超声波和真空煮沸，包括前面提到的方法。在粉末去除过程中，必须在工艺中引入无损检测或流量测试技术，以确保粉末去除能够得到验证。任何残留水分都会导致截留粉末的流动性降低。在完全去除粉末之前进行的电火花加工等操作可能会引入液体，导致粉末结块，从而使去除更加复杂。尽管没有严格要求，但强烈建议在进行后处理热处理之前去除多余的粉末。热等静压（HIP）等热处理操作可以就地烧结粉末，其他热处理可以进一步固化粉末。

4.5. 后处理操作

使用PBF或DED生产的竣工零件在机械材料性能方面都表现出相应程度的各向异性。该零件在垂直于构造板的方向（z高度）上通常较弱。L-PBF GRCop-84和GRCop-42试样的机械拉伸试验表明，在竣工条件下，塑性急剧下降，这表明零件中存在高（热）残余应力。除了各向异性材料特性外，额外制造的零件具有较小的孔隙率，通常小于1%。在再生冷却推力室的应用中，孔隙率的影响是双重的。首先，它可能导致冷却液泄漏到腔室，导致性能降低，喷油器的质量流量减少。当使用氢或甲烷等低分子量推进剂进行冷却时，这一点尤其重要。此外，腔室壁中的多孔空隙可作为传导屏障，从而降低通过壁的传导热传递。虽然AM材料中有意引入的一些孔隙率可以用作发汗冷却，但必须对其进行适当的设计，以满足工艺和有意的要求。

在增材制造技术中，金属的快速凝固通常会导致金属中的小晶粒。Onuike等人报告称，对于较小的晶粒尺寸，有更多的晶界，这会减缓通过材料的热传递。从他们的实验中，他们观察到Inconel 718的热扩散率和导电率与锻造合金数据一致。早期文献表明，锻造后的GRCop合金略有下降，但非常接近挤压成型。HIP是一种潜在的解决方案，通常用于提高GRCop-84等高导电合金的热性能。在热等静压过程中，零件被放置在一个腔室中，并逐渐加热到规定的温度，同时承受等静压施加的高压。除了作为应力消除处理，它还可以帮助推力室中材料的致密化，使密度接近100%，并允许完整的传导路径。HIP工艺进一步帮助AM材料的同质性。

试样由机器夹紧。

上图为在地板型万能试验机上进行了拉伸和压缩试验的事例。测试使用Instron 3382(如图)进行，其容量为100 kN，最大速度为500 mm/min，垂直测试速度为1323 mm。整个测试过程由Instron Bluehill软件记录，并包含PC数据采集，自动计算获得的数据直接。拉伸和压缩试验中所有配置使用的速度分别为2.0和1.5 mm/min。在试样的顶部和底部50mm处标记和夹紧试样。每种复合材料的两种试验所用的试样数量为5个。

Tillmann等人使用AM Inconel 718进行了HIP实验。结果表明，致密化主要由温度决定，而压力的影响一般较小。该研究确定，即使使用HIP，也不可能实现100%致密的零件，因为零件中的一些空隙被增材制造过程中使用的惰性气体填满，并被粉末雾化过程中的孔隙或气孔困住。对于Inconel 718，在温度超过1150°C、压力超过100 MPa的HIP过程中，该研究成功地实现了相对密度超过99.985%。

SLM工艺示意图(来源:DMRC)

研究发现，近净形部件可以直接从三维CAD数据制造，不需要进一步成形或工艺规划。所谓的粉末床融合或粉末床激光制造工艺，如选择性激光熔化(SLM)，属于AM工艺组。在SLM过程中，粉末层被选择性地暴露在高功率激光束中(见上图)。扫描系统根据所需零件的轮廓移动激光的焦点。粉末局部完全熔化，粉末颗粒相互粘合。在这一过程之后，将构建平台降低，并使用重刷系统应用新的粉末层(见上图)。随后，新的粉末层被选择性地暴露在激光中。重复这一过程，直到获得零件的完整高度。整个过程发生在一个充满氩气的室，以避免氧和氮污染的加工金属。SLM的主要优点是广泛的可能的几何形状(即使有下凹)，金属原料粉末的高灵活性，和实现内部结构的附加功能。常用的SLM粉末材料有镍基高温合金、铁合金和钛合金。

Moriya等人也在C-18150推力室衬套上使用了HIP，获得了相对密度从99.3%增加到99.5%的结果。他们还对C-18150的导热系数进行了实验，结果表明，C-18150的导热系数从建成时的约90 W/(m K)显著增加，到老化和HIP后的约350 W/(m K)。结果表明，HIP (<25 W/(m K))后，电导率具有适度的各向异性。Onuike等人的工作中报告了铜合金低成型导热系数的类似观察，他们报告了GRCop-84热扩散率，比商用轧制试样低近50%。美国国家航空航天局(NASA)正在对grco合金进行的研究表明，其导电性接近或等于变形材料。

除后处理热处理外，增材制造的零件还应考虑表面处理。与机械加工的替代品相比，使用增材制造的零件容易受到高表面粗糙度的影响。这可能会降低疲劳寿命，由于裂纹的起始位置，以及对室总压降的负面影响。高表面粗糙度增加了推力室冷却通道中的湍流，从而增加了冷却结构上的水力损失。此外，湍流的增加也增加了冷却剂的换热，这对设计者也有好处。Suslov等人证明了构建角度与表面光洁度有很强的相关性。对于Inconel718试样，平行和垂直于构建板的表面光洁度最好(10-25 μ m Rz)，而悬垂结构导致粗糙度显著增加(150-300 μ m Rz)。L-PBF的表面粗糙度高度依赖于材料、几何、后处理和机器，因此零件需要在相同的条件下进行表征和控制。

根据发动机循环和冷却通道的上游和下游系统，以及增材制造过程中出现的表面粗糙度，设计师可能希望使用表面增强技术来避免冷却结构上的过度水力损失。有几种潜在的表面增强技术可以用于内部通道，但需要针对设计要求、AM工艺和材料进行进一步的开发。其中包括水动力空化磨料抛光、磨料流加工、流化床加工、磁性磨料抛光、化学或电化学抛光、化学机械抛光。表面要求应根据发动机循环的类型进行交易，因为可能需要从粗糙表面强化传热。L-PBF工艺表面粗糙度的粗略近似等于所使用的粉末直径，然而，最终表面也取决于所使用的轮廓参数，通常较低。

4.6 非破坏性和破坏性评估

为了确保增材制造的推力室满足要求，对已建成的推力室和witness coupons进行了无损评价(NDE)。通过破坏试验来确定拉伸性能、低周和高周疲劳寿命、蠕变、热导率、硬度和组织。由于已知的各向异性增材制造零件的行为，建议在建筑体积内的不同方向放置witness coupons。

有几种非破坏性技术可以应用于推力室。计算机断层扫描(CT)是增材制造推力室最常见的评估技术之一，它可以确定密度的变化，以突出亚表面缺陷/孔隙，并可用于验证冷却通道是否有多余的粉末。这种技术具有揭示缺陷的优点，即使是在物理上无法触及的表面。超声检测是一种可替代的揭示易接触表面亚表面缺陷的技术。其他技术可能包括传统的或数字x射线，孔径检查，现场监测和红外闪光热成像。

为了验证尺寸精度，可以采用结构光或三维激光扫描的方法。该技术生成了推力室的表面轮廓图，可以将其与原始的3D CAD模型进行比较，以验证所有特征都在公差范围内。这种方法特别适用于复杂形状的零件，在那里很难或不可能用手测量尺寸精度。结构光法只能用于外表面的验证。在图12中可以看到一个例子。

其他无损检测技术，如染料渗透检测或涡流检测，由于高表面粗糙度，被报道不太适用于添加物制造的成品零件。在表面强化处理之后，这些方法是可以考虑的。

图12 结构光三维扫描的例子，比较已建成的表面CAD(来自NASA)。

5.结论与展望

在液体火箭发动机推力室的制造中，增材制造占据了更加突出的地位。目前最先进的技术显示，使用激光粉末床聚变（L-PBF）创建的推力室的技术准备水平为9，技术准备水平为≥6。AM已经使推力室可供许多公司和组织使用，这些公司和组织以前没有制造推力室的资源，并且可以在合理的预算和时间表内制造推力室。这带来了新的商业航天公司，带来了2015年之前不存在的新任务机会。AM考虑到推力室设计的复杂性，包括以前在各种铜合金、高温合金和耐火材料中不可能实现的内部通道几何形状。许多这种合金已经在相关的推力室环境中得到了验证。由于内部功能的高度复杂性，L-PBF是推力室中使用的最流行的AM技术，但制造体积有限。LP-DED和LW-DED提供了增加规模的选项。

虽然AM过程已经成熟，但应特别注意后处理操作，这对于成功应用和满足发动机要求仍然至关重要。由于推力室的复杂性，内部特征可能会导致制造过程和后处理中出现问题，如检查、粉末去除和表面粗糙度。整个工艺流程必须通过所有操作严格控制，包括原粉、AM工艺和后处理，以确保关键飞行应用符合认证要求。AM技术和后处理操作的进一步进步，加上新材料的开发，可以进一步推动AM在推力室中的应用。

预计在不久的将来，对于推力室以及液体火箭发动机的其他子部件的生产，增材制造将发挥更加突出的作用。对于具有复杂通道设计、适合商用L-PBF机器制造量的小型推力室，很难用传统制造技术实现更具竞争力的产品。对于不适合商用L-PBF机器标准制造体积的较大推力室，增材制造相对于传统制造技术的优势将根据具体情况确定。特别是，在大批量生产腔室时，例如，对于每年有多个发射器的消耗性运载火箭，传统制造技术可能仍然更有希望，因为这些技术更适用于规模经济。

来源：End toend process evaluation for additively manufactured liquid rocket engine thrustchambers，ActaAstronautica，doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.02.034

参考文献：Gradl P.R., Protz C.S.，Technologyadvancements for channel wall nozzle manufacturing in liquid rocket engines，Acta Astronaut., 174 (2020),pp. 148-158, 10.1016/j.actaastro.2020.04.067