综述：航空航天领域的金属增材制造之二(b部分）(4)

▲图9 SpaceX应用AM的Superdraco发动机

使用AM技术制造主要发动机部件已经在总部位于加州的航空航天公司RocketLab得到了大规模应用。该公司是一家小型卫星发射提供商，自2013年以来，一直使用AM技术制造Rutherford火箭发动机上的所有主要部件。其特点是燃烧室、注射器、泵和主推进剂阀以及其他部件都是使用电子束粉末床融合 (EB-PBF) 技术制造的，迄今为止已经进行了18次测试、制造和发射。

燃烧室、喷嘴和喷射器组件通常使用多种材料和成千上万个部件制造，最近在单件组件的AM应用中备受“宠爱”。其中一个例子是Relativity Space公司制造的Aeon1号火箭发动机。即将在上文提到的 Terran1号运载火箭上发射，其特点是喷射器、点火器、燃烧室和喷嘴都是使用AM技术作为一个单一部件制造的。另一家总部设在纽约的发射公司，计划使用主要由AM制造的部件制造小型卫星发射器类中性能最高的火箭发动机。他们的火箭发动机“E-2”将是最大的单部件燃烧室、喷射器和喷嘴组件，全部采用L-PBF技术，由C(铜-铬-锆)合金制成

最近，美国宇航局一直在使用各种AM方法开发液体燃料火箭发动机部件的新材料和应用领域。这方面的突出例子是在美国航天局快速分析和制造推进(Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion-RAMPT)项目和空间发射系统(SLS)项目下的评估新材料的项目，分别是在美国航天局格伦研究中心(Glenn Research Center-GRC)和美国航天局MSFC开发的GRCop-42和美国航天局HR-1。图10 GRCop系列铜铬铌合金和铁镍NASA HR-1超级合金主要是为使用AM的火箭燃烧室和喷管应用而开发的。

▲图10 左：使用L-PBF GRCop-42的双金属7k耦合室，带有HR-1 DED集成喷嘴中：配有歧管右：使用L-PBF GRCop-42衬里和HR-1 DED夹套建造的双金属40k室

美国航天局还展示了大规模分布式发电的许多应用，特别是低压分布式发电。美国宇航局的重点是火箭发动机部件，如大型通道壁喷嘴和动力头部件。该喷嘴具有与燃烧室相似的设计，并结合了精细的特色通道，以消除组装过程中经常涉及的钎焊接头和大量需要的工具。美国宇航局MSFC和工业伙伴最近展示了一个65%比例的RS-25发动机整体通道LP-DED喷嘴，直径1.52米，高度1.78米。之前的喷嘴还在较小的规模上展示了低压-直流一体化通道特征，并完成了几次高占空比的热火试验。喷嘴证明了在全尺寸设计中将传统制造喷嘴的零件数量从1100多个减少到少于10个部件的潜力。其他组件已使用DED技术进行了演示，包括各种大型歧管和复杂组件，如RS-25动力头半壳。这些部件很多使用锻件或铸件制造，具有大量的机械加工操作，并且通过使用DED的短沉积时间显示出显著的成本和进度节约（图11）。

▲图11 美国国家航空航天局大规模DED的例子。A：直径为60英寸(1.52米)高度为70英寸(1.78米)的LP-DED整体通道喷管，美国宇航局在90天内沉积HR-1合金 B：使用因科镍合金718的动力头半壳，以及C：规模为RS-25的LP-DED JBK-75喷管(无通道)。

最近，在火箭喷管部件中使用AM和晶格结构已被大量研究。推力室组件承受各种综合机械、热力和综合环境载荷，这给优化带来了困难。Cellcore和SLM Solutions之间的合作产生了一种利用L-PBF的综合推力室设计，以展示其在航空航天工业中的潜在应用。如图12所示，推力室在其壁上有一个结构晶格，也可作为发动机的冷却夹层。这款一体式引擎仅用了三天多的时间就在一台SLM 280打印机上生产出来了。因为该设计使用了 Inconel 718，这是一种特别难加工的材料，并且很难后处理，这种生产方法就最大程度地避免了昂贵的工具磨损，节省了相当多成本，同时产生了一种极其轻质的结构。该设计还采用了完全集成的喷射器，进一步减少了最终火箭设计的零件总数、降低了复杂性。虽然该设计展示了多个部件潜在集成的示例，但必须在完整的环境中很好地理解整体负载，以纳入拓扑优化和整个AM过程。

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

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