NASA着力开发火箭发动机的多合金和多工艺增材制造

液体火箭发动机是一套复杂的系统，具有复杂的结构设计、先进材料才能满足其在恶劣环境下的使用。将组件制造并组装成这套复杂的系统需要大量的时间、成本和技能，才能满足集成和性能要求。增材制造在推进应用方面的前景正在整个航空航天工业中得到证明，它可用于关键部件制造并并使火箭设计成为可能。与之相关的尖端技术被用于减少零件数量、优化重量并允许制造更复杂的零件结构。3D打印显著降低了制造组件的成本和交货时间。它还允许更快的设计-失败-修复周期，以便在投入生产之前开发和测试早期原型。

NASA在帮助解决一些制造挑战并提高火箭发动机性能方面发挥着至关重要的作用。高风险和高回报开发的一个例子是NASA的改变游戏规则的开发快速分析和制造推进技术 (RAMPT) 项目。

RAMPT与工业界、商业空间和学术界合作，推进和整合多种3D打印及其他先进制造工艺，并通过热火测试证明这些工艺的可靠性。液体火箭发动机的燃烧室和喷嘴通常采用一种单一的金属增材制造工艺来打印单一合金制造而成。RAMPT探索了新的研究，以创造新合金、多合金3D打印组件，并结合多种金属3D打印工艺以进一步优化3D打印设计。这一理念促使团队将新颖的3D打印设计与其他先进的制造技术相结合，以进一步减轻重量（图 1）。

图1. RAMPT概念使用多合金增材制造、大规模LP-DED和集成到火箭发动机推力室组件 (NASA) 中的复合结构

制造规模是RAMPT团队走向成熟的挑战之一。NASA与行业合作伙伴共同推进了激光粉末定向能量沉积 (LP-DED) 工艺，展示了直径大于1米的复杂薄壁内部通道结构，它是一款具有冷却通道的大型喷嘴。自由形式的LP-DED工艺允许大规模增材制造——不受构建箱的限制。在短短90天内，RAMPT项目打印出了NASA利用 LP-DED生产的最大增材制造喷嘴之一，它包含1000多条内部通道，直径1.5 m，高度1.8m（图 2）。全尺寸的RS-25火箭发动机喷嘴衬套也是在RAMPT项目下开发的，直径为2.4m，高度为2.8m，但不包含内部通道（图 2）。

图2. 大型定向能量沉积喷嘴。（左）使用NASA HR-1合金打印的1.5m直径和1.8m高度整体通道喷嘴；（右）使用双头LP-DED和JBK-75合金打印的2.4m直径和2.8m高衬里

NASA团队探索了各种金属增材制造工艺，以制造多合金部件，包括粉末床熔融、定向能量沉积和冷喷涂。使用GRCop-42 (Cu-Cr-Nb) 合金，通过激光粉末床熔融 (L-PBF) 工艺制造带有整体冷却通道的燃烧室衬里。为了正确集成用于流体分配的高强度歧管，成熟的LP-DED和冷喷涂工艺可以沉积HR-1高强度、耐氢超级合金。过渡层使用3D打印的镍或铜镍合金构建，为复杂的环境负载和材料兼容性提供坚固的双金属接头。为了进一步推进多合金3D打印工艺，RAMPT项目使用 NASA HR-1合金将整体内部通道LP-DED喷嘴直接沉积到GRCop-42 L-PBF腔室上，无需螺栓连接。NASA已经制造了各种尺寸的火箭发动机推力室组件（图 3），证明了使用多合金组合3D打印工艺的制造潜力。

图3. 在RAMPT项目下开发的各种规模的复合外包裹多合金和多工艺增材制造推力室

NASA已经对各种3D打印部件和系统进行了超过100000秒的热火测试。这些测试帮助NASA了解增材制造的许多挑战和局限性，并帮助建立增材制造组件的认证标准。为了进一步推进RAMPT项目下的技术，8.9 kN和31kN集成推力室在NASA 马歇尔太空飞行中心进行了热火测试（图 4）。螺栓推力室测试也在156 kN下进行了测试，以获得有关L-PBF GRCop-42推力室和HR-1 LP-DED通道喷嘴的数据（图 5）。该测试证明了3D打印多合金、组合3D打印工艺和复合结构制造的挑战，并为工业应用提供各种经验教训。

图4. 具有GRCop-42 L-PBF推力室和LP-DED HR-1喷嘴复合结构热火测试

图5. 3D打印双金属 GRCop-42 L-PBF/Inconel 625 LP-DED燃烧室和带整体通道的LP-DED喷嘴的热火测试 (NASA)

RAMPT利用多合金、组合增材制造工艺方法以及复杂的复合材料应用和先进的增材制造模拟能力来开发大型再生冷却液体火箭发动机技术。RAMPT项目将设计、分析、制造和装配生命周期提前期缩短了50%以上。它还将零件数量减少了10倍以上，重量减轻了30%以上，并提高了可靠性。RAMPT的其他成就包括让制造业供应链参与进来，并通过公私合作伙伴关系促进技术向商业行业注入，以创建健康的供应链。RAMPT项目下生成的所有数据都可供行业合作伙伴使用。

本文内容来自于增材制造技术前沿。

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