航天推力室的“铜墙铁壁”：希禾增材绿激光3D打印助力再生冷却结构高质量制造

增材制造（AM）是一种通过逐层堆积材料构建三维物体的工艺，具有出色的几何适应性和设计可定制性，这是传统工艺难以实现的。航空航天是最早采用该技术的行业之一，增材制造已逐步应用于火箭燃烧室、发动机喷管、发动机涡轮精密部件和方向舵等航空航天精密零部件的快速生产制造。当前，航空航天业面临的主要挑战之一是关键零部件的高精度、高质量与高效率生产，而这些部件因功能多样且结构复杂，通常需要非常复杂的生产工艺和较长的制造周期。增材制造技术经过近年来的快速发展，正逐步成为有效应对这一挑战的关键手段。

图1 在美国马歇尔太空飞行中心完成热试验的全增材制造火箭推力室组件实例

（资料来源：NASA）

激光增材制造技术一般分为激光粉末床熔融（LPBF）与激光定向能量沉积（DED）两类。其中，激光粉末床熔融技术目前发展迅速，在科学研究与工业生产中备受青睐。LPBF是一种以激光为能量源，基于粉末床铺粉的增材制造技术，具有无需模具、一体成形复杂内腔结构与高精度等显著优势。该技术在航空航天领域表现出巨大的应用潜力，尤其适用于液体火箭发动机推力室核心部件的集成化、轻量化制造，有助于提升产品的可靠性。

图2 绿激光粉末床熔融（GL-PBF）成形过程实况图

（资料来源：希禾增材）

LPBF可用于制造液体火箭发动机推力室的多个关键结构部件，包括燃烧室、喷注器以及喷管延伸段等。传统制造方案存在流程复杂、工序繁多、制造成本高等问题，难以满足运载火箭高频率发射对液体火箭发动机高效且低成本的制造需求。采用以LPBF为主的增材制造技术，可实现燃烧室壁内复杂高密度冷却流道结构的整体成形，显著缩短制造周期并降低制造成本。根据Paul Gradl（2022）在美国国家航空航天局（NASA）项目中的案例研究，采用多种金属增材制造工艺整体制造推力室部件，制造周期可由18个月缩短至5个月，缩短幅度达72%；制造成本则从31万美元降至12.5万美元，降幅约为60%。

（资料来源：https://ntrs.nasa.gov/）

近年来，已有多个液体火箭发动机推力室成功采用LPBF完成制造并通过验证。其中，燃烧室再生冷却通道的整体制造是典型应用之一。燃烧室壁内布设大量并排且走向复杂的冷却通道，对制造精度要求极高。采用LPBF无需传统的焊接或装配工艺，即可一次成形具备精细内腔结构的完整部件，这不仅提高了产品结构的完整性，还因通道内的几何自由度提升，显著增强了冷却效率。以Linde公司与Ariane Group联合开发的铜合金火箭燃烧室为例，采用LPBF增材制造，通过工艺优化，不仅实现了低成本制造和快速交付，还呈现出优异的产品质量，充分证明了该技术在制造高热负荷、复杂内腔航天部件方面的适配性和可靠性。

图4 Ariane Group铜合金3D打印火箭燃烧室（资料来源：tct magazine）

然而，材料本身的物理特性也使其在LPBF增材制造中面临成形稳定性等挑战。燃烧室的再生冷却结构通常采用具有良好导热性和导电性的铜基高导热合金，以满足燃烧室衬里对高效再生冷却的性能要求。由于铜材料本身具有高反射率、导热性强等特点，在传统LPBF工艺中，激光能量难以被充分吸收，从而导致熔池稳定性降低。最终可能造成打印样件致密度低、孔隙率高，不仅难以制造出复杂精细结构，还容易出现分层、开裂等问题，影响成形质量。

材料对激光的吸收率是影响成形质量的关键因素。纯铜及铜合金对激光的吸收率随激光波长的增加单调递减，在激光波长超过550nm后吸收率急剧下降。研究对比发现，铜在绿激光（λ=532nm）下的吸收率比在红外激光（λ=1064nm）下高出十倍以上，采用绿光等短波长激光进行高质量纯铜及铜合金LPBF将更为简单高效。因此，使用以绿光为能量来源的LPBF，是克服纯铜及铜合金等高反金属增材制造挑战的有效途径之一。

图5 金属材料在不同波长激光下的吸收率（%）

与1064nm的红外激光相比，绿激光具有细小光斑、高能量密度、工艺窗口宽和打印飞溅少等优势，能够同时满足短波长、高功率、高光束质量的应用诉求。希禾增材针对纯铜、铜合金以及高反、难熔金属在加工中的适配难题，自主研发了世界领先的增材制造专用绿光光纤激光器，并将其成功集成于绿激光金属3D打印设备系列。其中，全球首台多绿激光大尺寸设备XH-M660G专为大尺寸铜基部件量身定制，为航空航天等领域提供了高效、可靠的激光选区熔化（LPBF）增材制造解决方案。532nm波长的绿激光显著提升了材料对激光能量的吸收率，彻底解决传统LPBF在高反材料加工中的局限，实现了更高的能量利用率、更稳定的熔池控制和更优的打印质量，全面提升了产品的制造精度与生产效率。

图6 希禾增材绿激光金属3D打印设备

希禾增材M660G设备兼容高强度、高导热的航天级合金材料，支持多种金属的快速试验与工艺验证，能够稳定实现复杂内腔结构与高密度冷却通道等关键特征的一体化成形。图7所示的多款推力室产品，均采用绿激光LPBF增材制造，整体成形质量优异，具备良好的一致性与表面质量。其中，部件致密度可达99.8%以上，表面粗糙度（Ra）控制在4–8 μm，大部分区域无需打磨即可直接使用，显著降低了后处理工作量，在提升产品质量的同时，有效加快了交付进程。

图7 希禾增材航空航天推力室产品

绿激光粉末床熔融（GL-PBF）技术在航空航天领域展现出全面优势，涵盖结构设计、材料利用、产品质量、制造成本和加工周期等多个方面，是航空航天复杂结构部件高效集成制造的重要手段。希禾增材绿激光LPBF设备具备出色的成形精度，能够直接、快速制造金属结构功能零部件，特别适用于推力室等高热负荷关键部件，正逐步为高效制造与高品质交付开辟新路径。

• 大层厚工艺：支持最高120 μm层厚打印，有效提升堆积效率，缩短成形时间，满足批量制造与快速交付需求。

• 材料兼容能力：可稳定加工多种高反射、高导热金属，尤其适用于纯铜及铜合金材料加工，兼顾精度与表面质量。

• 缩短研发周期：相比传统制造至少1个月的周期，使用XH-M660G打印燃烧室可缩短至十天内，实现快速验证与高效迭代。

图8 希禾增材3D打印液体火箭发动机燃烧室

希禾增材始终以“推动绿激光金属增材制造技术的规模化与产业化应用”为使命，立足应用拓展，持续技术创新，致力于为航空航天等高端制造领域提供更优的绿激光解决方案。未来，公司将持续深耕金属增材制造领域，聚焦材料适应性、成形效率、成本控制与后处理等关键难题，赋能复杂结构零部件的大尺寸、高精度打印。通过不断推进工艺优化与技术升级，进一步拓展绿激光金属增材制造在复杂结构与高性能材料等方向的应用深度，加速其在先进制造体系中的融合与落地。

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