综述：航空航天领域的金属增材制造之二(b部分）(2)

▲图3 Conflux F1换热器的应用

内部冷却通道的例子存在于内燃机的气缸体中和飞机的高压涡轮叶片中。这些集成系统通常受到传统制造技术的限制，例如连接、钎焊、铸造和数控铣削工艺。AM技术为内部冷却通道和微晶格结构以及相关设计的选择提供了更多的复杂性。小型无人机设计和制造商Cobra Aero试图利用AM、优化技术和晶格结构来改进他们的无人机发动机，实现轻质减量和优化传热特性。使用AM，他们生产了一个利用多场耦合模拟（multi-physics simulations ）气缸体，该模拟考虑了温度场、流场、磁场、应力场和压力因素，最终使优化设计的气缸体比通过传统制造方法实现的设计更具热效率。

▲图4 Cobra Aero AM和晶格气缸体设计

热气防冰是商用飞机上广泛使用的防冰系统，可限制飞机机翼前缘结冰。Bici等人探索了晶格结构在多功能面板中的应用。该设计侧重于通过AM技术制造的单件翼型，具有内部晶格结构，将热空气分配到翼型的前缘，以防止结冰。此外，该设计通过使用网格结构减少前缘的质量来减轻结构应力。

HiETA是一家总部位于英国的工程公司，使用激光粉末床熔融等AM技术为航空航天市场生产各种产品，特别关注热力交换和冷却设备。他们使用AM技术生产内部冷却的径流式涡轮机叶轮和外壳。涡轮叶轮由CM247 LC（镍基沉淀硬化型定向凝固柱晶高温合金,使用温度在1050℃以下）或Inconel铬镍铁合金合金制成，具有复杂的内部冷却通道，可在降低部件质量的同时提高涡轮发动机的工作温度。

▲图5 HiETA热交换器

2.4. 液体燃料火箭部件

过去20年来，以空间探索、科学研究、通信卫星、地球观测卫星、国际空间站长期载人以及其他任务为形式的天基活动迅速增加。所有这些活动都得到了美国航天局NASA阿耳忒弥斯Artemis计划和许多进入轨道发射市场的私营公司的帮助。随着发射供应商之间的竞争逐渐激烈，创新也激增，先进的制造技术（如AM）在空间发射系统和卫星中被广泛使用。卫星、空间站和航天发射系统号称是最昂贵的人造物体，仅国际空间站就耗资1600亿美元，且这些花费还在不断增加。与传统制造方法相比，AM在低成本方面具有明显优势，有可能使天基活动更容易。

由于发射系统提供了进入空间的基础设施，这些系统的效率对于降低天基系统的成本至关重要。这些系统的核心则是液体燃料火箭发动机——广泛应用于大多数运载火箭的应用中。通过在更现代的火箭发射系统中使用AM技术可以更好的利用复杂的系统从而提高系统性能。非官方报告显示，正在开发的SpaceX Raptor发动机包含高达40%的AM制造部件，空间发射系统被证明是AM制造部件的主要应用之一。

火箭发动机上的喷射器系统通常由数百个单独制造的部件组成，然后钎焊或焊接成单个喷射头（图6）。通过传统制造技术制造这些喷射器组件通常耗时且昂贵。但AM技术可以用来大幅度降低制造这些部件所需的成本和时间。阿丽亚娜6号定于2020年发射，是阿丽亚娜集团生产的最新火箭，作为其RAMS(Reliabilit可靠性、y,Availability可用性、Maintainability 可维护性和Safety安全性)准则的一部分，他们正在寻找创新方案。为了在阿丽亚娜5的基础上再降低40-50%的生产成本以及提升性能，整个项目采用了AM技术。该喷射器芯在超快速四激光器增材制造系统 （EOS M400–4）上利用 Inconel 718生产，可快速缩短生产时间。

▲图6 阿丽亚娜6号火箭的注射器芯

哥本哈根亚轨道公司是一家完全众筹的非营利航天公司，一直在评估将AM组件应用到生产流程中以降低成本的可行性。他们最新的AM案例研究——同轴涡流注射器的涡流器，是使用瑞典工业3D打印机制造商

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2021/0827/678.html