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重庆大学l同济大学l北京大学l增材制造锌基生物材料的研究进展

3DScienceValley — Thu, 03 Apr 2025 01:29:17 +0000

增材制造锌基生物材料的研究进展

袁坤山*，邓成宸，王湘秀，黎粤川，周超，赵川榕，戴小珍，Ahsan-Riaz Khan，张泽，Robert Guidoin，张海军*，郑玉峰*，王贵学*
重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室，血管植入物国家与地方联合工程实验室
生物医用材料改性国家地方联合工程实验室
金凤实验室
成都医学院生物科学与技术学院
同济大学医学院上海市第十人民医院
北京大学工学院材料科学与工程系
加拿大拉瓦尔大学外科学系，魁北克生物材料研究所

【文献链接】
Yuan, KS., Deng, CC., Wang, XX. et al. Research advances and future perspectives of zinc-based biomaterials for additive manufacturing. Rare Met. (2025).

https://doi.org/10.1007/s12598-024-03205-7

【背景介绍】
锌基生物可降解材料具有降解速度适中、生物相容性良好、机械性能优异、易于加工等特点，而增材制造技术能够制备具有复杂内部结构的植入物，增材制造锌基生物可降解材料能够发挥两者的优势，已成为当前研究热点，尤其是在骨支架应用中。本文对增材制造可降解锌基生物材料相关文献进行文献计量分析，总结了该领域的历史特征、正在发展的研究主题和新兴趋势。分析结果表明，增材制造生物可降解锌基材料的成分组成、加工工艺、体外生物相容性以及材料的成型质量还将持续被研究。此外，为满足医疗植入物的要求，尤其是骨植入物，材料的力学性能（包括抗降解疲劳性、抗蠕变性和抗时效性等）、降解速率、体内生物相容性、以及影响到以上性能的特殊处理工艺（如涂层工艺、热处理工艺、材料表面结构、微观结构组成等）将成为未来研究的热点。本文从成型质量、材料组成、单元构型、生物相容性这四个方面综述了增材制造可降解锌基生物材料的研究进展，并在此基础上提出了未来的研究方向。

【文章亮点】
1. 增材制造可降解锌基生物材料领域正在快速发展，领域内的研究合作广泛、科学影响力较高。
2.增材制造生物可降解锌基材料的组成、加工和体外相容性是此研究领域的核心研究议题。体内性能、降解速率、以及影响到以上性能的特殊处理工艺等将成为未来研究的热点。
3.通过材料和工艺创新，结合动物实验，增材制造锌基生物材料在骨缺损治疗方面展现出巨大的潜力，有望在临床应用中实现有效修复。

【内容简介】
日前，重庆大学王贵学教授、同济大学张海军教授和北京大学郑玉峰教授联合团队在Rare Metals上发表了题为“Research Advances and Future Perspectives of Zinc-Based Biomaterials for Additive Manufacturing”的文献计量学研究文章，对可降解锌基生物材料增材制造领域的历史概况、研究热点和发展趋势进行了客观的分析和描述。
增材制造生物可降解锌基材料的成分组成、加工工艺、体外生物相容性以及材料的成型质量的深入研究将继续进行；为满足植入物，尤其是骨修复材料的特定要求，未来的研究将聚焦于材料的力学性能、降解速率、体内生物相容性、以及影响到以上性能的特殊处理工艺。

【图文解析】

图1（a）出版物的年度分析；（b）出版数量前15位的期刊；Y轴：发表论文数量

2017年到2023年，增材制造可生物降解锌基材料的发表论文数量呈现稳步增长的趋势。其中Acta biomateralia发表的相关论文数量最多，共计9篇，这反映了该期刊此领域的关注度，其次的高发文量杂志是Journal of Materials Research and Technology JMRT（5篇）和Additive Manufacturing（4篇）。

图2 科学合作网络。（a）国家合作；（b）机构合作；（c）作者合作

丰富的节点和相互关联的链接揭示了国家、机构和作者之间紧密的科学合作关系。国家协作网络有17个节点和28个链接，其中中国、德国、意大利、荷兰和印度作为大节点，在增材制造可生物降解锌基材料的全球合作研究中具有重要地位。机构协作网络涉及93个节点，209个连接，清华大学、江西理工大学、德国亚琛工业大学、北京大学和中南大学因其广泛的合作关系成为突出的节点。作者协作网络共有173个节点和546个连接，其中Wen Peng, Shuai Cijun, Peng Shuping, Voshage Maximilian和Qin Yu在论文发表数量方面成为主要贡献者，体现了他们在科学合作中的活跃程度。值得注意的是，在作者的节点中观察到聚类效应，Wen Peng，Voshage Maximilian，Qin Yu，Schleifenbaum Johannes Henrich，Zheng Yufeng等部分节点聚类为I簇；Shuai Cijun，Peng Shuping，Yang Youwen等部分节点聚类为II簇；Li Y部分节点聚类为III簇。其中，I和II通过中心性最高的Li Yageng相互连接。合作网络的结构特征和聚集现象，不仅反映了科学合作的广泛性和深度，也揭示了不同科研实体间合作的模式和趋势。

图3 关键词聚类分析

关键词之间存在或高或低的内在关联，因而形成不同的聚类，从而清晰地展现出增材制造生物可降解锌基材料研究的各个热点子领域。通过对关键词进行聚类分析可分为4大类，涵盖了9个小类，包括增材制造成分（0# biodegradable metals，#1 pure zn），加工工艺（#2 process plume，#4 laser powder bed fusion，#6 continuous wave emission，#7 advanced manufacturing），降解与力学性能（#5 corrosion fatigue）和产品应用（#3 biomedical implants）。其中，0# biodegradable metals、#4 laser powder bed fusion被研究的持续时间最长，#6 continuous wave emission，#7 advanced manufacturing和#8 mechanical performance则已经过了研究高峰期，#1 pure zn、#3 biomedical implants和#5 corrosion fatigue正在处于研究的活跃阶段，成为当前的研究热点。这一现象表明，基础的增材制造的成分和加工工艺将持续被研究，而增材制造生物可降解锌基材料的体内植入应用和降解疲劳特性研究已经逐渐成为研究的热点。

图4 2017-2023年关键词冲积图；X轴：时间片，Y轴：模块计数，编号：每个时间片上模块按节点数量排序的顺序。

链接的关键词可以组合成特定的研究模块，这些模块随着关键词的重新组合，在不同时间段内可能会发生演变，分化或整合形成新的研究模块。。在7年的时间里，有些关键词展现出持久的影响力，有些成为了新的研究趋势，有些则淡出了研究领域。例如，2023年模块1中包含的关键词在本研究流域发散或汇聚，形成了最大的研究支流（红色标记部分）。这一现象表明模块1是一个持续存在且具有稳定性的研究模块。

图5 2023年关键词六大模块（a）模块1；（b）模块2 ；（c）模块3；（d）模块4；（e）模块5；（f）模块6

模块1被命名为“3D printing”，涵盖了3D printing、laser、3D printing technology在内的10个关键词。模块2命名为“biodegradable metallic implants”，包含了biodegradable metallic implants、biomedical implants、biocorrosion behavior等6个关键词。模块3命名为“bone repair”，汇集了bone repair、biomaterial、porous scaffold等6个关键词。模块4命名为“titanium”，包括了titanium、vivo、implant等6个关键词。模块5命名为“selective laser melting”，包含了selective laser melting、heat treatment、microstructure等6个关键词。模块6命名为“Zn-Cu alloy”，汇集了Zn-Cu alloy、biodegradable zinc、angiogenesis等7个关键词。这些模块很可能是未来5年甚至更长时间内增材制造可降解锌基材料领域的新兴趋势。在这些模块中，我们观察到除了3D printing、selective laser melting、titanium、Zn-Cu alloy、biodegradable zinc等涉及增材制造的常规加工工艺和组成成分的关键词外，更多的是类似于biodegradable metallic implants、bone repair、vivo、angiogenesis、heat treatment、microstructure等涉及到体内植入应用、后处理工艺及微观结构变化等方向的关键词。这表明，特殊处理工艺以及对微观结构的影响，体内植入应用及研究可能是增材制造可降解锌基材料的新兴趋势。

图6 引文聚类图

基于引文聚类可视化，本文对增材制造生物可降解锌基材料研究中的新兴、经典和相对过时的主题进行了预测。时间轴图展示了在指定时间范围内的11个簇群，按集群大小自上而下排列。簇群#0、#1、#3和#4代表经典主题。尽管这些簇并非最新出现，但它们与其它簇之间存在着复杂的相互联系。第6簇 Zn-Zr alloys、第8簇in situ monitoring和第9簇implants相对过时，它们与其他簇的联系较少，并且在时间轴上显示出缺乏后续发展的态势。#2 in situ reaction 、#5 selective laser melting、 #7 bone repair、#10 sustainability是新兴的主题，自形成以来一直保持活跃，有潜力成为未来的研究热点。根据对新出现的簇的分析，可预见增材制造锌基材料的表面结构，功能活性，体内骨修复应用以及经济和环境可持续性可能会成为未来研究的主导方向。

【全文小结】

1.根据文献计量学分析，增材制造可生物降解锌基材料的组成、加工工艺、体外生物相容性和成型质量将继续作为研究的核心议题。为了满足植入物的需求，材料的力学性能、降解速率、体内生物相容性以及影响这些性能的独特处理工艺将成为未来的热门研究课题。
2.通过工艺优化，目前已能够制备出高成型质量的增材制造可生物降解的锌基材料。材料的组成是影响其力学性能、腐蚀速度和生物相容性的关键因素；多孔锌支架的孔隙率和单胞结构与其力学性能、生物功能和降解行为密切相关；增材制造生物可降解锌基材料的生物相容性直接影响其临床使用的安全性。
3.经过验证、标准化和商业化的增材制造锌粉尚未被开发；增材制造涉复杂的物理过程，这导致材料成分、微观结构和性能在加工过程中发生实质性变化；需要利用现场监测和计算机模拟来进一步优化工艺；因此，增材制造生物可降解锌基材料的临床应用尚未实现。
4.最有希望取得临床突破的研究方向是使用具有特定多孔拓扑结构的增材制造可生物降解锌基材料治疗骨缺损。在临床转化之前，需要通过材料组成、单元设计、制造工艺改进、涂层设计、后处理技术、广泛和长期的大动物研究以及系统的临床研究来优化种植体的性能。需要材料科学、生物学、信息学、机械工程和医学等的跨学科合作，以全面评估产品的临床适用性。

【作者简介】

王贵学，博士，重庆大学二级教授、博导，金凤实验室脑血管研究团队负责人，国务院政府特殊津贴专家，国家重点研发计划项目首席科学家。长期从事动脉粥样硬化性心脑血管生物力学与生物材料、纳米药物递送等基础研究和应用转化，先后主持科技部国际科技合作重点项目/国家科技支撑计划重点项目/国家重点研发计划项目/国自然重点基金/ /国家转基因重大专项课题/国家发改委平台建设重大项目等20余项国家级项目。联合发表中英文学术论文450余篇，授权中国和美国专利60余件，获国家级行业协会和省部级科技成果奖8项；担任教育部生物流变科学与技术重点实验室主任、国家发改委血管植入物工程实验室主任、教育部生物医学工程类专业教指委委员、中国病理生理学会动脉粥样硬化专委会主委、中国生物材料学会材料生物力学分会主委、中国解剖学会血管分会名誉主委。2019年以来连续5次入选生物医学工程领域爱思唯尔中国高被引学者（软科国际知名学者），近年入选世界前 2%顶尖科学家、国际生物材料科学与工程院Fellow(FBSE)、《RESEARCH》期刊(IF:11) 副主编。曾任重庆大学生物工程学院院长/书记/院学术委员会主任、医学部学术委员会副主任。

郑玉峰，北京大学教授、博士生导师、材料科学与工程学院生命健康材料研究所所长，国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者特聘教授、科技部中青年科技创新领军人才、中组部万人计划入选者、国际生物材料科学与工程学会联合会“生物材料科学与工程”会士、美国医学与生物工程研究院会士、中国生物材料学会会士。学术研究方向为新型生物医用金属材料与器械。作为项目负责人，先后承担十四五、十三五国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等纵向课题与横向课题 50 余项，出版英文专著2本，中文专著6本，发表英文SCI论文600余篇，被引用47000余次，H-index为104，科睿唯安2022/2023年全球高被引学者，获授权发明专利50余项。社会兼职包括Bioactive Materials创刊主编、Materials Letters编辑、Journal of Materials Science& Technology副主编等、中国生物材料学会副理事长、中国生物医学工程学会生物材料分会候任主任委员等。

张海军，同济大学医学院PI、同济大学附属第十人民医院介入血管研究所副所长、生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室主任。第十三、十四届全国人大代表，国务院政府特殊津贴专家、全国五一劳动奖章获得者、泰山学者海外特聘专家、省级有突出贡献中青年专家。国家放射与治疗临床医学研究中心学术委员会委员、科技部生物医用材料评审专家。长期从事心血管、介入医学、医用材料、极弱磁细胞生物医学的基础与临床转化研究。作为首席专家及主要完成人承担十三五、十四五国家重点研发计划、十二五国家科技支撑计划、国家工业强基工程、国家自然科学基金面上项目、国家科技重大专项、十一五国家高技术产业化、国家创新基金项目等国家级项目10项。以第一完成人获国家科技进步二等奖1项；何梁何利科学与技术创新奖、教育部技术发明一等奖1项、省技术发明一等奖1项、省科技进步奖2项、国家专利优秀奖1项、省专利奖2项等省部级奖励14项；以第二完成人获省级科技进步一等奖1项。发表论文140余篇，申报专利340余项。主编参编学术专著6部，起草行业标准7项。

来源
稀有金属l

Rare Metals 重庆大学王贵学/同济大学张海军/北京大学郑玉峰：增材制造锌基生物材料的研究进展

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航天材料及工艺研究所 l 重复使用液体火箭发动机用材料及工艺研究进展

3DScienceValley — Wed, 02 Apr 2025 01:17:11 +0000

0 引言

重复使用的天地往返航天运输系统是实现大规模空间开发与应用的前提，可降低有效载荷发射成本，实现有效载荷回收与在轨服务，同时解决航区安全问题，是实现“快速、机动、廉价、可靠”自由进出空间的重要途径和有效手段。可重复使用发动机是重复使用的天地往返航天运输系统最为关键的分系统之一，其特点是研制周期长，投入大，并且随着发动机推力和重复使用次数的增加研制风险和经费进一步增大。而材料工艺技术又是可重复使用发动机的基础技术、先导技术和关键技术，是决定可重复使用发动机性能、可靠性和成本的一个重要因素，贯穿发动机研制、生产、使用和维修的全过程，其性能与水平在很大程度上制约着可重复使用发动机的发展和研制进程，也是衡量发动机发展水平的重要标志之一。重复使用液体火箭发动机是天地往返航天运输系统的重要组成部分，不同的发动机需要采用不同的材料体系和工艺方式。本文结合液体火箭发动机推进系统性能要求及结构特点，着重介绍可重复使用液体火箭发动机在材料工艺选择与研究进展方面的情况。

1. 国外重复使用液体火箭发动机新型材料体系选材、性能特性与评价

1.1 航天飞机主发动机（SSME）氢氧火箭发动机
1.1.1 SSME发动机性能结构及各部件工作条件对材料选择的总要求

SSME发动机用于美国的航天飞机，是至今世界上唯一投入应用的重复使用的氢氧火箭发动机，目前仍是世界上最先进的火箭发动机之一。发动机由洛克达因公司研制，自 1984年4月首次上天至2011年退役，美国航天飞机实现了135次上天飞行，总飞行距离约达 5.4亿公里，37次同国际空间站对接，还曾9次同俄罗斯和平号空间站对接。作为第一个专为长工作寿命而设计的大型液体火箭发动机，且要多次载人飞行，要求航天飞机主发动机具有长寿命、可重复、减少维修以及高的比推力、推重比和可靠性等特点。SSME发动机外形结构及各组件分解示意图见图1。发动机性能结构及各部件工作条件对材料选择的要求如下：

（1）高强度，许多部件工作在高压下，包括预燃烧室、高压涡轮泵、燃气集合器、燃烧室及导管等；

（2）良好的高温疲劳和蠕变性能（特别对于热气系统）；

（3）良好的低温性能（在低温推进剂环境工作的低压涡轮泵、导管等）；

（4）对氢环境效应的预防；

（5）结构质量限制。

图1 SSME发动机外形结构及各组件分解示意图

1.1.2 SSME发动机各关键部件性能特点与应用材料及工艺

（1）预燃烧室

预燃烧室包括燃料预燃烧室和氧化剂预燃烧室，其作用是使氢气在氧中燃烧产生热气，作为驱动高压涡轮泵的动力。预燃烧室由结构壳体、氢/氧点火起燃的电火花点火器、喷注器和岐管系统组成，见图2。预燃烧室壳体在40MPa压力和-101 ℃下工作，由高比强度的Inconel 718镍基高温合金锻件机加工而成；内衬工作在约36MPa和500~700 ℃环境下，因此，内衬材料采用的是高温强度、蠕变抗力和热疲劳抗力较好的Haynes 188钴基合金；燃料输入管也由Inconel 718合金制造；预燃烧室喷注器面板、推进剂隔板和导管材料为Inconel 625镍基高温合金；电火花点火器插入部分由铜合金NARloy-A制成。

图2 预燃烧室结构示意图

（2）主燃烧室

燃烧室是SSME发动机的心脏，内部温度高、压力大，又要经受喉部热流达107MW/㎡（比“土星”发动机高2~10倍）的400次热循环（起动）。当发动机点火时，内部气体温度高达3300 ℃，而内壁温度要求低于约540 ℃。采用沟槽式结构再生冷却，冷却剂进口压力42MPa，2760 ℃时出口压力为25MPa。

燃烧室由内部衬套和结构外壳组成，如图3所示。内部衬套采用带沟槽的铜银锆合金内壁和电铸镍外壁组成，液氢流经沟槽冷却燃烧室。外部结构壳体承受压力载荷和来自喷管的推力载荷。结构外壳包括岐管和两环间的壳体组成，壳体由两个对称部分合成，全部选用Inconel 718镍基高温合金（相当我国GH4169）作结构材料。

图3 主燃烧室结构示意图及实物

（3）延伸喷管

延伸喷管在膨胀比5∶1处与燃烧室相连。延伸喷管结构如图4所示。全长约3m，重约420kg。采用高压燃烧再生冷却，其冷却剂管分为上流管和下流管，都呈锥形，采用钎焊工艺为一体，材料为A-286铁基高温合金。外壳和帽状结构带采用Inconel 718合金材料制造而成，均为焊接结构。

图4 延伸喷管结构示意图

SSME喷管延伸段由1080根A-286合金锥形管装配钎焊成一体，锥形管总长为3292m，喷管延伸段与Inconel718外壳和9个结构环通过钎焊链接在一起。钎焊工艺一般需要进行2～3个钎焊循环，喷管焊接所用钎料为Au-22Ni-8Pd和Au-25Mn-6Pd-6Ni-45Cu等。锥形管与喷管延伸段外壳焊接组装通常在氢气保护气氛中进行，钎焊缝总长度超过4277m，管端插入集合器钻孔处有2160个钎焊接头，钎焊中所用钎料为7kg。

主燃烧室与喷管延伸段通过最简单的机械连接形成，然后采用亚弧焊或电子束焊进行焊接密封。

（4）涡轮泵

航天飞机的涡轮泵推进剂进口压力与出口工作压力相差很悬殊，因此分别采用了低压泵和高压泵。低压泵是一种具有低速、高吸气特性的助推泵，它可使推进剂压力由不到1MPa增至几倍。高压泵则通过高速将压力进一步增压至几十倍，通过这种方式解决了在同一种泵中进口低速与出口增压高速之间的矛盾，减轻了泵重与机械装置的复杂性，并使材料得到更合理的应用。

高压氧化剂泵为两级泵，使液氧增压至约33MPa，另有一个独立级使16%流量的氧增压至54MPa。涡轮工作温度约为820 ℃，涡轮转速约为29000 r/min，这种高温高压及液氧的介质环境要求选用镍基和钴基高温合金。涡轮进口套筒支柱环采用低膨胀高温铁镍铬合金Incoloy 903合金制造，涡轮叶片采用MAR-M246定向凝固高温合金制造。涡轮盘和轴由Waspaloy合金制造而成，为防止高压氢脆，在涡轮盘的枞树形区域镀约0.038mm厚度的锌。

高压燃料泵为三级离心泵，液氢输送量为66kg/s。由于当时工艺水平限制，最初研制的超低温Ti-5Al-2.5Sn钛合金氢泵叶轮采用的是精密铸技术成形，后来改进为粉末冶金成型。此外，进口集流管也由钛合金制造。

低压氧化剂泵通过高压泵排出的液氧驱动，液氧输送量可达475kg/s。低压氧化剂泵外壳采用Tens-50铸铝制造，导流叶片采用Monel合金制造，转子、定子叶片采用K-Monel镍铜合金制造。

（5）燃气岐管（燃气集合器）

热气岐管结构上需要支撑预燃烧室、高压涡轮泵、喷注和燃烧室组件，因此对其材料要求为刚度大、质量轻。热气歧管还担负着把高压高温富氢气体从涡轮泵输送到主喷注器的任务，其内部气体的压力约24MPa，气体温度为450~600 ℃。因此通常采用夹壁结构，以Incoloy 903为内衬套，抵抗高压氢产生的氢脆，采用高强度高温合金Inconel 718为外壁结构材料，由两部分锻件焊成一体，中间通氢气冷却。

1.1.3 SSME发动机研制过程中反映出的材料工艺问题

SSME发动机研制试验过程中出现过各种各样的故障，其中很大部分原因是所用材料工艺不当，金属结构材料易发生疲劳损坏，密封材料使用性能不合格。SSME发动机的振动环境对部件材料性能影响很大，几乎所有主要部件所用金属材料均发生过疲劳开裂，特别是镍、钴基高温合金。因而，必须注意选择并改进材料，提高材料的抗疲劳性能。对某些镍基合金如Inconel 718的高压氢脆化敏感性也应保持足够的警惕。此外，还需要不断改进密封和润滑材料，这对保证发动机的可靠性有重要意义。

SSME发动机在研制过程中由于材料工艺应用不当而导致故障及改进要点见表1。

表1 SSME发动机在研制过程中由于材料工艺应用不当而导致的故障及改进要点

梳理SSME发动机关键材料体系：（a）Inconel 718合金，主要用于制造发动机氧化剂预燃室本体和燃料输入管、高压氧化剂泵叶轮、燃气集合器、喷注器本体、燃烧室外壳、阀门壳体及弹簧等；（b）MAR-M246定向凝固高温合金，用于制造高压氧泵涡轮叶片；（c）Waspaloy高温合金，用于制造高压氧泵涡轮盘和轴，为防止高压氢脆，需在盘的枞树形区域镀以38μm厚的锌；（d）K-Monel镍铜合金，主要用于低压氧化剂泵导流叶轮、转子和定子；（e）L-605钴基高温合金主要用喷注器与燃烧室连接密封环；（f）Ti-5Al-2.5Sn钛合金，用于高压氢泵铸造叶轮、推进剂阀门等；（g）NARloy-Z铜银锆合金，含Ag 3%、Zr 0.15%，由于具有高的热导率以及良好的高温抗疲劳性能，特别适合用来制造发动机燃烧室内壁及其他类似性能要求的部件；（h）NARloy-A铜银合金，用于制造预燃烧室电火花点火器插入部分、喷注器率流器等；（i）Incoloy 903低膨胀铁镍铬合金，在高压氢气中具有良好的抗脆化能力，主要用于制造发动机高压氧化剂泵涡轮的进口套筒支柱环，热气岐管内衬等，在预燃烧室部件上，为了防止发生氢脆，在进口管和燃料导管之间也采用Incoloy 903合金作为过渡环；（j）Rene’41镍基高温合金，主要用于螺栓、螺钉等连接件的制备；（k）Haynes 188钴基高温合金，具有较高的高温强度与蠕变抗力，良好的热疲劳寿命及耐热震性，可在氢气压35MPa、应变1.0%下经受高达1000次的循环，主要用于预燃烧室内衬套；（l）304L奥氏体不锈钢，用于制造发动机预燃烧室面板构件等；（m）316L奥氏体不锈钢，用于热交换顺蛇形管；（n）Ti-6Al-6V-2Sn钛合金，用作万向架弹簧和环等；（o）440C马氏体不锈钢，用于制造涡轮泵止推滚珠轴承等；（p）17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢，用于制造自调节弹簧。

随着SSME发动机重复使用次数的增加，其关键部件的材料后续还进行了进一步改进：（1）发动机氧涡轮轮缘线速度超过550m/s，叶片应力较大，后来的ATD改进型氧涡轮采用了IN100粉末冶金涡轮盘和PWA1480单晶叶片，进一步提高了高压氧涡轮叶盘结构的可靠性和寿命；（2）针对超低温用氢泵叶轮，采用粉末冶金热等静压钛合金整体叶轮替代铸造方案，以解决使用及热试车后氢泵叶轮疲劳开裂的问题；（3）针对推力室内壁，为进一步提高高温强度和疲劳性能，还在开展铜铬铌以及氧化物弥散强化铜合金的研究。

近年来，针对SLS火箭采用的RS-25发动机（航天飞机主发动机SSME改进型）喷注器，洛克达因公司还与NASA合作，采用激光粉末床熔融（L-PBF，也称为SLM）增材制造技术进行3D打印整体成形，前后共试车11次，累计试车时间46s。传统方法制造SLS 发动机喷注器需要6个月时间，而使用SLM 制造，从成形、抛光到无损检测仅用40h，同时制造成本降低50%。此外，传统加工工艺需要十几个零件分体制造，而SLM制造可以实现喷注器一体化成形，减少工序提高可靠性的同时，减轻了喷注器的质量。

1.2 可重复使用液氧/煤油火箭发动机用材料工艺概况

应用于Space X公司猎鹰9火箭的液氧/煤油梅林（Merlin）发动机已经获得了多次飞行回收成功，也是至今世界上唯一实现工程应用的可重复使用液氧/煤油火箭发动机。按开发的时间顺序至少包括Merlin 1A、Merlin 1B、Merlin 1C及其真空版、Merlin 1D及其真空版这六个型号及它们的各种改进版的衍生型，Merlin 1C和1D如图5所示。目前广泛使用的梅林Merlin 1D发动机可称得上是世界上最先进的液氧煤油火箭发动机之一，并且性价比很高。

图5 Merlin 1C、1D发动机

（1）燃烧室

燃烧室采用煤油冷却金属夹套结构，Merlin 1C及其之前系列发动机内壁为铜合金，外壁为电铸成形镍合金。铜合金牌号未见报道，估计与航天飞机使用的是同一牌号，即铜银锆合金，以满足重复使用高疲劳性能技术要求。

据报道，Merlin 1D新研制了燃烧室，生产效率大幅提升，甚至可以1d生产1台，据此推测其燃烧室内外壁连接工艺可能由电铸成形更改成为热等静压扩散连接（HIP）技术。因为热等静压扩散连接技术具有生产周期短和后续加工难度小等优点，其外壁可采用强度高的合金以减轻材料质量及成本，而且HIP扩散连接技术已在美国RS-68、J-2X、日本LE-X等氢氧火箭发动机中成功应用。推测Merlin 1D及后续型号推力室内壁材料仍可能为铜银锆合金，外壁材料可能为与RS-68一致的347不锈钢。

（2）延伸喷管

Merlin 1A发动机采用了碳纤维复合材料作为延伸喷管材料，并采用了类似太空返回舱的烧蚀冷却技术。Merlin 1C及其后续发动机将碳纤维喷管换成了可重复使用的煤油再生冷却金属夹层喷管，通过回热冷却，极大地缓解了过热问题，但喷管材料及制造工艺未见报道。

Merlin 1C发动机真空版是Space X公司为猎鹰火箭研发的第一款上面级液氧煤油发动机。为节省成本和开发时间，Merlin 1C、Merlin 1D真空版与相应Merlin 1C、Merlin 1D几乎完全相同，只是改用了面积比更大的铌合金喷管，如图6所示，单壁结构，内外壁有抗氧化涂层，铌合金材料为C103铌铪合金，喷管成形估计采用的是板材旋压成形。

图6 Merlin 1C真空版发动机（左）和它的铌合金大喷管（右）

（3）涡轮泵

Merlin 1A发动机的涡轮泵转速最大可达20000 r/min，总质量68kg，采用Inconel 718镍基高温合金（相当于我国的GH4169合金）制造封头，并采用摩擦焊接加工主轴。涡轮泵外壳采用精密铸造成形，燃料泵采用铝合金制造整体式涡轮叶盘，氧化剂管路则是采用300系列不锈钢。Merlin 1A发动机涡轮泵实物如图7所示。

图7 Merlin 1A发动机涡轮泵

Merlin 1B与Merlin 1A发动机相比做了一系列小的改动，其材料体系与Merlin 1A大致相同。Merlin 1C的涡轮泵大部分组件与Merlin 1B相比没有什么变化。从Merlin 1D开始，原Barber-Nichols公司不再为梅林系列提供涡轮泵，新型号的涡轮泵可能是Space X公司自行开发，也可能是委托其他公司开发。Merlin 1D涡轮泵转速可达到惊人的36000r/min，产生7350kW以上的功率，并将液氧和煤油加压到20MPa以上。不仅如此，在Merlin 1D后续的改进版本中，为了满足NASA对将来执行载人任务的安全性要求，还更换了涡轮叶片。据说新涡轮叶片采用高密度材料以避免微裂纹的产生，但是具体何种高密度材料未见报道。

1.3 可重复使用液氧/甲烷发动机用材料工艺概况

液氧/甲烷火箭发动机具有密度比冲高、无毒环保、富燃燃烧积炭少、重复使用、维护方便等优点，是很有发展潜力的可重复使用火箭动力。

2011年，Space X公司公布可重复使用火箭的试验器“蚱蜢”项目，提出了大推力液体火箭发动机计划，其中包括液氧甲烷发动机，即“猛禽”（Raptor）发动机，其实物及原理如图8所示。“猛禽”发动机采用了分级燃烧循环方式，未来将主要应用于星际运输系统及火星探索。其材料工艺细节未见报道，只是有报道称Space X公司针对氧预燃室的高温高压富氧气体带来的材料氧化问题，专门研发了一种耐富氧环境的SX500合金，由使用环境推测，SX500合金可能是一种镍基高温合金。其他材料工艺可能大多与Space X的Merlin 1D发动机大致相当。2016年Space X针对“猛禽”发动机中的推进剂阀、涡轮泵和喷注器组件等采用了增材制造技术制造。同年，马斯克宣布Space X公司成功进行了猛禽发动机的首次热试车。

图8 “猛禽”发动机及其原理图以及增材制造部件热试车

蓝色起源公司从2011年开始对BE-4液氧/甲烷发动机进行研制，该发动机采用富氧分级燃烧循环方式，推力为2400kN，燃烧室压力13.4MPa，可重复次数达25次，将用于联合发射联盟公司的“火神”火箭以及蓝色起源公司的“新格伦”火箭。2017 年，蓝色起源完成了首台BE-4发动机的组装工作（图9）。由图9可知，从颜色看，该发动机关键部件——推力室和喷管的内壁材料应该都是铜合金，推测可能是航天飞机应用的疲劳性能较好的铜银锆合金。在可重复使用液体火箭发动机零件增材制造方面，据称该公司的BE-4发动机中的涡轮喷嘴等零件使用了增材制造技术。

图9 蓝色起源公司BE-4液氧/甲烷发动机及其零部件拆解图

1.4 可重复使用液体火箭动机用关键材料体系及关键材料分析评价
1.4.1 推力室身部（燃烧室）用材料及工艺
1.4.1.1 内壁材料

可重复使用液体火箭发动机推力室身部一般由高导热的铜合金内壁和镍或不锈钢、高温合金外壁连接而成。发动机工作时，铜合金内壁材料经历低温——高温的热交变循环过程，易因低周疲劳而破坏，因此是制约推力室使用寿命的关键因素，也是可重复使用火箭发动机研制中首先必须解决的关键材料问题之一。

针对氢氧火箭发动机，20世纪70年代，NASA路易斯研究中心开展了无氧铜、铜锆合金和铜银锆（NARloy-z）合金三种内壁材料的圆柱形推力室低周热疲劳试验（室压4.2MPa/氢氧混合比6.0/喉部热流54MW/㎡），所有的破坏模式均为通道内壁减薄直至断裂，其结果表明，三种内壁材料中铜银锆合金具有最好的循环寿命。表2是三种典型内壁材料性能数据，可见铜银锆合金的高温强度与导热率和锆铜合金接近，是无氧铜的2倍多，但铜银锆合金的实验热疲劳循环次数是锆铜合金的1.6倍。

表2 无氧铜、锆铜和铜银锆材料（400 ℃）性能对比

注： 1）该值为无氧铜260℃时数据

NARloy-z是一种兼具高导热性和高强度的Cu-3%Ag-0.15%Zr合金，既具有铜合金的高导热性，又因Ag、Zr合金元素的添加而改善了其高温强度，因此可专门用来制造可重复使用液体火箭主发动机燃烧室内壁及具有类似性能要求的部件。美国航天飞机主发动机推力室身部内壁材料采用的NARloy-z铜银锆合金是可重复使用氢氧、液氧/甲烷火箭发动机推力室身部内壁首选材料。

近年来，美国NASA Glenn研究中心开发出一种铜铬铌GRCop-84［Cu-8%（a）Cr-4%（a）Nb］粉末冶金材料，这种Cu-Cr-Nb新合金材料以弥散强化为主，可在700 ℃高温下工作。NASA/TM披露的实验结果表明，这种铜铬铌合金GRCop-84比目前使用的铜锆合金、铜银锆合金有更好的性能（传导性、热膨胀、强度、抗蠕变）以及低周疲劳（寿命）组合，可用于火箭发动机内衬，而且粉末冶金技术已成为一种低成本、高效率的推力室内壁的制备方法。

近年来，Space X公司的液氧/煤油发动机上采用铜银锆合金作为推力室内壁，目前已经过了十几次飞行验证。俄罗斯液氧/煤油发动机推力室身部内壁材料一般为QCr0.8铬青铜合金，其化学成分要求见表3，力学性能要求见表4。QCr0.8铬青铜合金在我国新一代液氧/煤油发动机上也已应用，相对较为成熟，但是在可重复使用性能上，铬青铜还有待于多次考核和重复使用飞行验证。

表3 QCr0.8铬青铜合金化学成分要求

表4 QCr0.8铬青铜合金力学性能要求

1.4.1.2 外壁材料

推力室身部外壁材料一般为纯镍、Inconel 718高温合金或不锈钢、高温合金等，一般较为成熟。

1.4.1.3 内外壁连接技术

根据冷却通道封合方式的不同，分为三种形式：1）扩散钎焊外壳，如能源号RD-0120发动机、YF-100/115；2）电铸镍封合，如SSME、LE-7/LE-7A、火神/火神2发动机、Merlin 1C、YF-75系列/77；3）热等静压扩散连接（HIP）冷却通道封合，如美国RS-68、J-2X、Merlin 1D和日本的LE-X、欧空局的火神X发动机。大型液体火箭发动机主燃烧室内外壁连接技术方案列于表5。在可重复使用发动机的内外壁连接技术方面，航天飞机SSME上采用的电铸镍发动机已经飞行了25次，马斯克的梅林发动机采用的电铸以及热等静压扩散连接（HIP）也通过了多次飞行验证，而俄罗斯及我国液氧/煤油火箭发动机采用的扩散钎焊目前还有待于后续工程重复使用飞行验证。

表5 国外典型液体火箭发动机主燃烧室内外壁连接技术方案

（1）钎焊外壳结构

前苏联的铣槽式结构推力室分4~6段进行制造，一般使用铜、锰或银、铜涂层做钎料，在感应加热炉中进行扩散钎焊，然后通过真空电子束焊把各壳段焊在一起。前苏联的铣槽式结构推力室已用于RD-253、RD-120、RD-170、RD-180和RD-0120等发动机，并在“质子号”、“天顶号”和“能源号”等运载火箭上获得应用。

RD-0120发动机的燃烧室是一种焊接/钎焊装配结构，由外壳、内衬和氢出口集合器组成。燃烧室喉部冷却方案优化为最好的氢特性冷却，氢冷却液从喷管上层向上流动通过燃烧室，出口靠近喷注器混合处，再通过外部管道转回喷管上部，在排出燃烧室之前穿过喷管的所有部分。

（2）电铸镍封合

电铸过程是一个连续电镀的过程，被电铸的零件作为阴极，金属离子通过电解液沉积到阴极表面，阳极材料通常由电沉积在阴极表面的金属材料组成。电铸工艺具有成形工艺温度低和成形后精度高的优点。电铸镍封合结构的燃烧室一般由两种基体合金组成，铜基合金作为内衬，内有冷却通道，镍基合金结构外壳封合冷却通道。

用电铸镍封合冷却通道，由于采用的是冷电镀工艺，因此对内壁铜合金材料的机械及物理特性没有影响，而且电铸可实现复杂几何形状部件的高精度复制成形。针对铜合金内壁，冷却通道的宽度和高度都可以大范围调整，通过电铸将镍电沉积到燃烧室的铜基体上，构成发动机的承载结构。电铸层表面复制基材的形貌，表面粗糙度较小，有利于降低冷却通道的压力损失。但是，电铸是一个原子沉积成形，因此制造时间较长，成本相对较高。

采用铣槽+电铸镍封合结构制造燃烧室的步骤如下：a）真空精密铸造、锻造（或者旋压成形）铜合金内壁坯料；b）精车后铣加工铣冷却通道，再车外轮廓；c）用蜡填充冷却通道并使其导电化；d）电镀铜封合冷却通道，防止镍发生氢脆；e）电铸镍外壁；f）退除蜡填料。

（3）热等静压扩散连接（HIP）冷却通道封合

热等静压扩散连接（HIP）燃烧室由三个基本组件构成：结构外壳、单件内衬和多块喉部支撑。内衬一般选用具有高热传导性的铜基合金，外壳和集合器选用较高强度的镍基合金，均为铸造完成。燃烧室制造步骤如下：a）在内衬的外表面加工出冷却通道；b）制造喉部支撑，并装配在喉部周围；c）将喉部支撑和内衬一起滑入外壳中；d）装配上前后集合器后一起在加压炉中进行HIP连接。

HIP连接时，整个装配件被放置在真空炉中，炉中加压，并加温至一定温度。在HIP连接过程中，从冷却通道和喉部区域的空隙间抽出空气，达到真空状态。在HIP连接温度以上，压力作用于整个外壳外表面以及内衬上，使内衬与外壳直接接触，由此在内衬和外壳之间产生连接接头。内衬与喉部支撑之间、喉部支撑与外壳之间也都产生了连接接头。所有连接一步完成，不需要特殊的夹具对各部件进行强制直接接触。RS-68推力室组件包括烧蚀燃烧室内衬、300系列的不锈钢外壳、300系列的不锈钢氧化剂入口球座，以及高强度4130合金钢的推力锥。连接前需要在零件的待连接面上镀焊接合金，如铜内衬上镀金，不锈钢外壳和喉衬上镀镍，然后内衬与外壳紧密接触形成扩散连接。

HIP整体连接方法的好处之一就是不需要复杂和昂贵的压力包套和结构支撑外壳夹具。因此，这种制造方法生产周期短，且后续加工难度小。

1.4.2 涡轮泵用材料及工艺

1.4.2.1 氢（或甲烷）泵叶轮用材料及工艺

可重复使用氢氧或液氧/甲烷发动机中氢（或甲烷）泵叶轮具有形状复杂、工况恶劣（超低温区、高转速）、对材料性能及产品可靠性要求极高等特点。目前，氢（或甲烷）泵叶轮大多为超低间隙钛合金［Ti-6Al-4V ELI（相当于我国的TC4ELI）］或Ti-5Al-2.5Sn ELI（相当于我国的TA7ELI）等材料制造，液氢温区采用Ti-5Al-2.5Sn ELI，液氧及其以上温区采用Ti-6Al-4V ELI。叶轮生产工艺已由铸造成形向锻件分步加工后焊接成形以及后来的粉末冶金成形工艺发展。

美国航天飞机采用的是Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金铸造成形。日本等国家使用了锻件分部加工再焊接为一体的工艺制造，使用性能相对铸件而言略好，但其工作转速仍受到限制。俄罗斯采用先进的粉末冶金技术，首先研制出了形状复杂的整体粉末钛合金氢泵叶轮，具有极高的使用性能，并在RD-0120等型氢氧发动机上获得应用。美国后续研制的RS-83可重复使用氢氧发动机以及SSME后续改进中的氢泵叶轮也采用低温钛合金粉末冶金整体成形。

1.4.2.2 氧涡轮泵用材料及工艺

可重复使用发动机氧涡轮泵在高温高压、特殊介质、高速旋转和交变应力等苛刻复杂条件下工作，材料选择是一个极其重要问题。

（1）涡轮盘用材料

涡轮盘是航天发动机具有关键特性的核心部件，对发动机和航天器的可靠性、安全寿命与性能提高具有决定性影响。早期欧美国家可重复使用发动机氧涡轮泵涡轮盘选用了铸锻Waspaloy合金，该合金在760 ℃以下具有高的拉伸和持久强度，在870 ℃以下具有良好的抗氧化性能，且有良好的强韧化匹配，在使用性能上表现出很低的裂纹扩展速率，这对制造涡轮盘件来说是至关重要的。Waspaloy合金760 ℃下的抗拉强度为810~880MPa，815 ℃下10h的持久强度为390~410MPa。

粉末高温合金兴起后，美国航天飞机采用粉末冶金IN-100涡轮盘替代了Waspaloy合金，前者利用快速凝固粉末通过热等静压以及超塑性等温锻造成形。该合金中γ’相含量高，有较高强度，且粉末热等静压工艺使合金组织均匀细小，保证了较高的使用性能和最小的性能分散性，提高了涡轮盘的完整性和可靠性。因此，涡轮盘批量生产时具有较好的质量稳定性和经济性。粉末冶金IN-100合金815 ℃下的抗拉强度高于1000MPa，815 ℃下10h的持久强度高于630MPa。对比Waspaloy合金性能可知，粉末冶金IN-100高温合金的高温强度和高温持久性能有了较大提高。

（2）涡轮叶片材料

发动机氧涡轮轮缘线速度超过500m/s，叶片应力较大，容易导致微裂纹产生扩展使部件失效。针对这些问题，美国航天飞机SSME发动机氧涡轮泵涡轮叶片用材料最早选用了Mar-M246定向凝固高温合金，该合金有很好的铸造性能，易于铸成叶片，同时合金焊接性能良好，甚至可以与不锈钢相比。定向凝固高温合金是高温合金熔体在铸型中进行凝固时，通过一定方式控制晶核的形成去向，形成几乎都是相互平行的柱状晶。如果叶片通过定向凝固制备而成，且其结晶方向与叶片所受应力方向平行，那么叶片的承力能力或耐温能力就大大提高，同时作用在晶界上的应力会最小，从而延缓裂纹形成并增加蠕变持久寿命。Mar-M246合金不同温度下的拉伸性能见表6。

表6 Mar-M246不同温度下拉伸性能

后来，随着可重复使用发动机对氧涡轮泵涡轮叶片的可靠性进一步提高以及新材料研制进步，美国SSME发动机涡轮叶片选用了单晶铸造高温合金PWA 1480替代了Mar-M246定向凝固高温合金。单晶铸造高温合金是指整个铸件仅由一个晶粒组成的铸造高温合金。PWA 1480合金去除了硼、锆、铪等晶界强化元素，提高了合金的熔化温度起始点，从而使固溶处理温度可以适当提高，以获得更细小、弥散的γ’相，使合金的潜力得到更充分发挥。单晶PWA1480高温合金的承温能力比当时最好的定向凝固铸造高温合金PWA l422提高了25 ℃，自从1982年开始服役，服役时间超过5×10^6h。

为了适应当前工业技术发展趋势，提高材料生产加工与应用过程的工艺性与经济性，近年来，欧美国家出现了整体叶盘制造工艺。整体叶盘是把发动机涡轮盘和叶片设计成一个整体，无须加工榫头和榫槽。这种结构的优点是：叶盘的轮缘径向高度、厚度和叶片原榫头部位尺寸均可大大减小，减重效果明显；发动机转子部件结构大大简化；避免了叶片与轮盘装配不当造成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏带来的故障。整体叶盘制造工艺不仅提高了发动机的工作效率，也进一步提升其可靠性。

针对可重复使用发动机氧涡轮泵整体叶盘可采用直接热等静压成形方式制备，其优点在于这种工艺可实现近净成形，能以最小的加工余量和简化工序制成接近零件最终形状的半成品叶盘。这不仅节约大量贵重的战略元素，同时可以不依赖大型挤压机和等温锻造设备。因此开展高压氧泵整体叶盘用高性能粉末高温合金材料及直接热等静压技术研究是非常有意义的。

（3）涡轮壳体材料

目前欧美国家可重复使用发动机氧涡轮泵壳体材料多采用铸造IN718合金，该合金的主要强化相是γ”，与γ基体点阵错配度较大，共格应力强化作用显著，在低温和650 ℃以下具有高的强度和优异塑性，合金组织比较稳定，元素的扩散速度较低，无论在固溶状态或者时效状态都具有良好的成形性和焊接性，非常适合用作低温和超低温结构件。但是，铸造构件存在难以避免的疏松、缩孔、偏析等缺陷，可靠性下降，成品率较低。氧涡轮泵壳体构件形状复杂，尺寸精度要求高，而铸造IN718合金加工困难，材料利用率低，生产成本居高不下。热等静压工艺方法可以避免铸造缺陷的产生，同时组织细小均匀，且能实现近净成形，大大提高材料利用率，有效降低成本。因此建议采用热等静压粉末冶金工艺替代铸造工艺生产IN718合金构件，但需要开展相关的技术研究，以满足可重复使用发动机氧涡轮泵壳体材料需求。

1.4.3 燃气集合器（热气岐管）及管路用材料及工艺

针对接触高压氢环境的集合器或管路用材料，一定要考虑抗氢脆。SSME发动机研制初期，热交换器蛇形管、喷管高压氢输送导管等采用了Inconel 718合金，但在试验过程中发生开裂泄漏，后来内衬加上了抗氢脆性能更好的Inocel 903合金，解决了这一问题。

对于可重复使用氢氧发动机来说，高压氢环境效应是高温合金应用中不可避免的一个大问题，它的主要影响是氢原子的渗透会导致大多数铁、钴、镍基高温合金发生明显的塑性下降，以及一定的强度下降，同时会降低循环疲劳寿命，促进裂纹生长率的增加。

Inconel 718合金（相当于我国的GH4169合金）一般认为抗氢脆性能较好，但在高压氢环境下，其会变脆。这一点一定要引起我国发动机设计人员的重视。因为我国普遍认为GH4169合金应用于液氢环境一般没有问题，并且现在YF-75、YF-77氢氧发动机正是如此应用。现在没有出现问题的原因，可能是现在的发动机为一次性使用，试车时间较短，也可能是我们的发动机氢的压力还未达到临界值，或者两者兼而有之。

Inconel 718合金是以体心四方的γ”（Ni３Nb）和面心立方γ’（Ni３（Al，Ti，Nb）强化的镍基合金，在-253~700 ℃内具有良好的综合性能，650 ℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好加工性能、焊接性能和长期组织稳定性。

Incoloy 903（相当于我国的GH2903）是Fe-Ni-Co基沉淀硬化型变形高温合金，其合金成分和典型拉伸性能分别见表7和表8。该合金特点是在较宽的温度范围内具有低的热膨胀系数和几乎恒定的弹性模量，当使用温度在650 ℃以下时，具有较高的强度、良好的抗冷热疲劳性能、焊接性能以及抗高压氢脆等能力。

表7 Incoloy 903合金化学成分

表8 Incoloy 903合金典型的拉伸性能

为了解决Inconel 718合金高压氢脆问题，美国正在研究一种强度不低于Inconel 718合金、同时耐高压氢的粉末冶金高强合金NASA-23，用来代替广泛使用的Inconel 718。NASA-23合金是以Incoloy 903合金为原型，增加Cr元素质量分数到10%左右，其主成分为：Fe-32Ni-15Co-10Cr-3Nb-2.5Ti-0.15Al。与Incoloy 903合金相比，NASA-23合金因铬元素增加而提高了抗氧化性能，美国预计会应用在后续的可重复使用运载火箭中。

2 国内可重复使用液体火箭发动机用材料及工艺概况

目前我国液体火箭发动机一般以满足运载火箭一次性使用为设计依据，追求最高的性能和推重比是发动机设计的目标，零组件的疲劳尤其是高周疲劳问题一般不作重点考虑。未来的可重复使用运载器要求液体火箭发动机必须具备可重复使用能力，工作寿命与一次性使用要求相比提高几十倍，要实现这种技术跨越，不仅要对发动机全寿命周期载荷谱下的疲劳寿命进行设计，对关键零组件进行必要的疲劳和可靠性试验验证，还必须采用先进的材料和制造工艺从源头上保证零组件的疲劳寿命，从而保证发动机工作寿命和可靠性达到可重复使用的要求。

我国目前在可重复使用液体火箭发动机的关键技术研究中，涉及材料及工艺技术的较少，只对推力室用铜银锆合金开展了探索研究，以替代目前应用的锆铜/铬青铜合金，提高推力室的疲劳性能。其他材料都是借用现一次性运载火箭中发动机用材料，而现用涡轮泵、推力室、燃气集合器等关键部位构件用材料工作寿命可能满足不了与一次性使用要求相比提高几十倍的要求，与国外用关键典型材料性能差距见表9。可知，国内涡轮盘用高温合金材料处于第二至第三代之间，与国外第四代的粉末冶金高温合金相比差距较大；国内推力室内壁材料仍然以第二代锆铜/铬青铜合金为主，国外使用已久的第三代铜银锆合金热疲劳性能是铜锆合金的1.6倍，对比之下，国内关键材料体系与国外相应材料体系相差一到两代。

表9 液体火箭发动机用关键材料国内外对比

国内液氧/煤油火箭发动机关键材料与表9内相近，推力室及预燃室内壁材料均为铬青铜QCr0.8，外壁为S-03/06马氏体时效不锈钢，涡轮泵的涡轮盘为GH4586镍基合金，燃气进出口壳体和涡轮静子是GH4202抗氧化高温合金，氧化剂离心轮是S-04铸造马氏体时效不锈钢，涡轮泵壳体是S-03/06马氏体时效不锈钢、TC4。

液氧甲烷发动机方面，国内研究单位分别采用了电铸和钎焊工艺进行推力室内外壁连接，目前已经实现了多次热试车考核。近年来商业航天在液氧甲烷发动机上也采用了电铸和钎焊工艺进行发动机推力室内外壁连接，电铸工艺已经通过多次热试车考核，钎焊工艺目前正在进行工艺攻关。但关于内外壁热等静压扩散连接（HIP）工艺研究报道不多。

国内在液体火箭发动机构件增材制造技术方面，也开展了一些研究，研制出了氢氧发动机氧泵壳体、氧泵进气壳体以及某上面级发动机中的起动器、发生器出口管、排风管等并飞行成功。此外，通过对增材制造技术的研究，还实现了航天大型钛合金骨架、支座、位移接头等大尺寸、复杂结构难加工金属材料的高效制造，从而提高了材料利用率，降低了生产成本，加快了研制进程。

3 我国可重复使用发动机关键材料及成形工艺技术发展方向

可重复使用发动机的工作寿命与一次性使用要求相比提高几十倍，因此，可重复使用火箭发动机对关键部件的综合性能提出了极高的要求，如力学性能、结构性能、功能性能、耐高低温、耐介质以及发动机全寿命周期载荷谱下的疲劳寿命等特性。要从源头上保证零组件的综合性能，必须采用先进的材料及成形工艺技术。

依据国外重复使用液体火箭发动机的研制现状和技术发展，针对未来我国的可重复使用液体火箭发动机，国内先进新型材料工艺技术及工艺成形技术的发展方向概括为如下几个主要方面：

新材料技术方面：（1）铜银锆合金、铜铬铌合金以及氧化物弥散强化铜合金等高性能铜合金材料及应用技术，以满足高疲劳寿命和更高使用温度的推力室内壁需求；（2）航天用高性能粉末高温合金材料技术；（3）高性能低温钛合金材料技术；（4）高性能密封材料技术，包括高性能银合金材料、涡轮泵动密封用高性能石墨材料以及阀门用长寿命密封材料等；（5）新型涂层技术，包括耐富氧燃气的金属表面长寿命涂层技术以及长寿命推力室用身部内壁表面复合热障涂层材料技术等；（6）喷管延伸段用轻质抗冲刷C/C复合材料及其制造技术，以适应未来可重复使用运载器一次入轨轻质化需求等。

新型成形工艺技术方面：（1）高温合金和钛合金等精密铸造成形技术；（2）异种金属材料焊接及特种金属材料高能束焊接技术；（3）增材制造技术，以适应喷注器、壳体等精细、复杂构件的精密、一体化、整体化成形；（4）高强快速电铸技术；（5）热等静压（HIP）粉末冶金成形及HIP扩散连接技术，克服了增材制造（3D打印）技术本身无法避免的残余应力、微裂纹、孔洞等缺陷导致的疲劳性能低的问题，以适应泵叶轮和涡轮盘等旋转关键零件的高周疲劳以及高密度功率的服役要求。

4 结束语

发动机材料技术是未来可重复使用液体火箭必须解决的技术难题之一。新一代可重复使用液体火箭的特点要求发动机材料满足耐温更高、耐介质、可重复使用、耐高周疲劳、高可靠性以及低成本等要求。经过长时间发展和积累，液氧煤油、液氢液氧等发动机材料与工艺取得了很大进展，但现有的材料技术仍面临严峻挑战。未来针对可重复使用液体火箭发动机材料技术的研究，表现出以下趋势：首先，以航天飞机为基础的材料与结构创新不断取得新进展，在新型飞行器研制和发展中继续发挥关键作用；其次，一种飞行器概念牵引一代材料和结构的发展，材料类别和结构形式呈现多样化发展态势；以轻量化、一体化为目标的材料与结构创新带动材料的进步和发展。

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内容主体来源
宇航材料工艺 l

https://yhclgy.com/yhclgy/article/pdf/225989

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中南大学 l 激光增材制造Fe-Ga-B合金中的多因素影响：显微结构、磁致伸缩与生物学性能

3DScienceValley — Tue, 01 Apr 2025 01:27:34 +0000

第一作者：高成德
通讯作者：帅词俊
通讯单位：中南大学
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.063

01 全文速览

针对多晶Fe-Ga合金磁致伸缩性能不足的瓶颈问题，本研究首次提出激光粉末床熔融（LPBF）和硼（B）掺杂策略，利用其超快熔凝和元素固溶机制协同调控合金的显微结构和综合性能：LPBF的快速凝固特性扩展B元素固溶，诱发晶格畸变与位错增殖，并形成纳米级四方modified-D03相结构；同时，LPBF工艺的高温度梯度同步驱动晶粒沿<001>取向外延生长。基于此，本研究所制备多晶Fe-Ga-B合金的磁致伸缩系数得到有效提升，并展现出良好的动态响应特性和生物学性能，为智能生物医学器件的设计与开发提供了创新性策略。

02 研究背景

磁致伸缩Fe-Ga合金因高能量转化效率和良好的生物安全性，在众多领域得到广泛关注。然而，多晶Fe-Ga合金因其复杂的相组成和晶体结构，面临磁致伸缩性能差的瓶颈问题。为克服这一挑战，研究者们尝试了定向凝固和熔融纺丝等制备工艺，通过调控合金相结构来提升磁致伸缩性能，但所制备的Fe-Ga合金结构和尺寸单一，难以满足特殊环境的复杂结构要求。LPBF技术凭借超高冷却速率与逐层制造特性，成为定制特定相结构和复杂结构外形的潜在策略，并有望同时实现高温度梯度诱导下的晶粒择优生长。

元素掺杂是调控合金相结构的另一关键策略。众多元素中，小原子B元素不仅有望通过间隙固溶诱发磁致伸缩有利的modified-D03相形成，而且也可作为人体必需营养元素赋予合金良好的生物安全性。然而，LPBF与B掺杂协同作用对磁致伸缩Fe-Ga合金的影响机制尚未明晰，其生物降解行为和细胞相容性亦有待探索。本研究创新性结合LPBF技术和B元素掺杂，系统探索了Fe-Ga合金的微观结构、磁致伸缩性能和生物学性能，阐明了显微结构与磁致伸缩性能间的关联规律及其内在机制，旨在为开发新型智能生物医学器件提供理论依据与技术支撑。

03 本文亮点

1、提出利用LPBF技术和B掺杂策略制备磁致伸缩Fe-Ga-B合金；
2、LPBF和B掺杂协同作用有效提升了Fe-Ga合金的磁致伸缩性能和生物相容性；
3、阐明了多因素影响对Fe-Ga-B合金显微结构和综合性能的作用机制。

04 图文解析

图1 (Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的制备流程

图2 Fe81Ga19和(Fe81Ga19)98.5B1.5合金的物相结构演变：（a，b）微观形貌TEM图像，（c，d）SAED图，（e，f）高倍TEM图像

图3 Fe81Ga19和(Fe81Ga19)98.5B1.5合金的纳米沉淀物相结构分布及局部晶格畸变：（a，b）高倍TEM图像及傅里叶变换图，（c，d）反傅里叶变换图像，（e，f）几何相位分析图像

图4 (Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的晶粒结构：（a-e）晶粒形貌及极图和反极图，（f）(Fe81Ga19)98B2合金的Fe2B分布图

图5 (Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的静态磁致伸缩演变：（a）磁致伸缩曲线，（b）磁致伸缩系数与B含量的关系

图6 动态磁致伸缩响应：（a）动态磁致伸缩测量示意图，（b）(Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的动态磁致伸缩曲线

图7 细胞相容性评价：（a）吸光度，（b-g）茜素红染色图，（h-k）ALP染色

05 总结与展望

为解决多晶Fe-Ga合金普遍面临的磁致伸缩性能差的问题，本研究创新性融合LPBF技术和B掺杂策略，制备具有优异综合性能的磁致伸缩Fe-Ga-B合金，系统研究了多因素对显微结构、磁致伸缩性能和生物降解行为的影响规律，重点揭示了LPBF和B掺杂协同作用下的磁致伸缩增强机理。结合多尺度表征与综合性能测试，发现LPBF的快速凝固促进了B原子在BCC基体的固溶、诱导了modified-D0₃纳米相的生成及其引发的四方畸变；同时，LPBF过程中的高温度梯度特性驱动晶粒沿<001>晶体学方向外延生长。最终，纳米沉淀相和<001>取向晶粒的协同作用实现了Fe-Ga-B合金磁致伸缩性能的有效提升（~35%），且表现出良好的磁致伸缩动态响应和生物学性能。结果表明，LPBF和B掺杂的协同作用是提高Fe-Ga合金磁致伸缩性能的有效方法，这也为高性能磁致伸缩器件的设计开发提供了新思路和研究支撑。

06 作者介绍

高成德：中南大学机电工程学院、极端服役性能精准制造全国重点实验室，教授/博士生导师，入选中国科协青年人才托举工程、湖南省湖湘青年英才、湖南省优青、2020-2024连续5年斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。一直从事生物增材制造领域的研究，以第一/通讯作者发表SCI论文40余篇，授权国家专利17项，出版著作2部。主持与承担国家自然科学基金、湖南省自然科学基金等科研项目10余项，获中国金属学会冶金医学奖、国家自然科学基金优秀结题项目、中国科协优秀科技论文等奖励。

帅词俊：中南大学/江西理工大学，教授/博士生导师，入选教育部长江学者特聘教授、国家万人计划领军人才、全国百篇优秀博士论文获得者、国家优秀青年基金获得者。长期从事生物增材制造领域的研究，发表SCI论文280余篇，被引用18000余次；出版学术专著5部，授权国家发明专利70余项并实现部分专利权转让。以第一完成人获省自然科学一等奖2项、省部级二等奖6项。入选2022、2023中国高被引学者，2020中国大陆材料领域科学家50强，担任Int J Extreme Manuf、Bio-Des Manuf等SCI期刊副主编/编委。

07 引用本文

Chengde Gao, Liyuan Wang, Youwen Deng, Shuping Peng, Cijun Shuai, Multifactorial impacts of B-doping on Fe81Ga19 alloys prepared by laser-beam powder bed fusion: Microstructure, magnetostriction, and osteogenesis, J. Mater. Sci. Technol. 205 (2024) 14-26.

来源
材料科学和技术 l

中南大学帅词俊教授、高成德教授团队激光增材制造Fe-Ga-B合金中的多因素影响：显微结构、磁致伸缩与生物学性能

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重塑汽车制造经济性，亚琛的HotKast项目开启通过增材制造重塑压铸工艺的绿色新纪元

3DScienceValley — Mon, 31 Mar 2025 03:03:55 +0000

根据的市场观察，在德国亚琛工业大学数字增材制造研究所RWTH DAP最新揭示了HotKast研发项目，压铸工艺迎来了革命性突破。这项针对填充室结构的设计创新，不仅破解了传统压铸工艺的能效困境，更在全球制造业绿色转型的关键节点上，为”双碳”目标提供了极具价值的解决方案。

▲ EHLA极高速激光熔覆技术
© Fraunhofer

HoTKaST
重新设计填充室
以实现资源节约型冷室压铸

由德国亚琛工业大学数字增材制造研究所RWTH DAP领导的项目联盟正在通过 HoTKaST项目的研发成果在冷室压铸方面开辟新天地。其目的是通过重新设计填充室和耐磨表面，大幅减少压铸过程中的资源消耗和相关的二氧化碳排放。该项目由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助，两年内提供超过 750,000 欧元的资金。

在卧式压铸中，熔融金属被引入填充室，然后在高压（高达 600 bar）下由活塞压入模腔。当腔室充满熔融金属（30-60% 填充水平）时，腔室的下部加热到高达 600°C 的温度。相比之下，腔室的上部加热得更慢，加热程度也要小得多，导致温度分布不均匀。

这会导致直径变形：对于活塞直径为 120 mm 的腔室，直径变化可达 0.4 mm，长度变化约为 2-4 mm。此外，这种摩擦会在模具填充过程中导致熔融金属湍流，从而显着增加废品率。目前使用大量的活塞润滑剂来缓解这个问题。然而，这些润滑剂对环境有重大影响，也会对铸件的质量产生不利影响。

冷室压铸广泛用于各个行业，例如汽车行业，以生产轻质铝制部件。然而，在卧式压铸中，由于与工艺相关的变形和磨损，型腔和活塞的寿命会显着缩短。停机时间、高资源消耗和废品率增加给传统制造工艺和行业发展前景带来了重大挑战。

HoTKaST 项目通过实现冷室压铸中填充室的均匀温度控制以提高资源效率，该项目旨在通过使用激光金属沉积（DED-LB/M）增材制造技术来应对这些挑战。通过重新设计模腔和应用耐磨内部涂层来提升资源效率，团队开发了一种新的填充室设计，以确保均匀的温度分布并最大限度地减少变形，使用激光沉积焊接 (DED-LB/M) 可形成耐磨的内表面，从而延长部件的使用寿命。

此外，正在开发的涂层系统不仅有助于填充室的固定温度控制，而且显着提高内表面的耐磨性。磨损保护层必须结合高硬度和韧性，以承受高活塞压力和同时发生的热机械应力。根据的市场洞察，为了实现这一目标，通过激光金属沉积应用各种材料组合，这是传统涂层方法不可能或非常难以实现的。

技术突破的核心价值

在典型的传统冷室压铸工艺中，填充室需要反复加热至400-500℃的工作温度，每次压铸后却因接触常温金属液骤降至200℃以下。这种”热震荡”现象导致惊人的能源浪费。

HoTKaST 项目实现的均匀温度分布和耐磨的内表面相结合，有望显著延长生产部件的使用寿命，并大幅降低废品率。填充室尺寸稳定性的提高还应该确保活塞和腔室之间的紧密配合，从而使使用化石基润滑剂几乎过时。例如，对于一家拥有 8 台铸造机的压铸公司（项目合作伙伴 AMZ）目前每年使用约 1,700 升润滑剂，这种节约是显著的。

根据德国能源与环境署有限公司的数据，仅2019 年德国压铸用铝的年需求量超过 600,000 吨。假设废品率降低 8%，这将可能节省约 50,000 吨原材料和超过 480,000 吨二氧化碳。根据每年 3,300 kWh 的平均家庭用电量，这一 CO₂ 减排量相当于约 160,000 个德国家庭的年用电量。

更值得关注的是，根据的市场洞察，这项技术为镁合金等活性金属压铸开辟了新可能，有望解决新能源汽车轻量化材料应用的瓶颈问题。

绿色制造的范式转移

认为HoTKaST项目的研发成果的真正价值，在于重构了现代制造的经济方程式。将传统认知中环保与效益的对立关系，转化为互相促进的飞轮效应。使得生产线在获得碳减排的同时，单件成本反而下降。这种”绿色溢价”的去除，标志着制造业正式进入可持续发展与经济效益正向循环的新纪元。

当全球产业界仍在ESG框架下艰难寻找平衡点时，HoTKaST项目的研发成果已勾勒出清晰的转型路径。这项源自德国亚琛工业大学数字增材制造研究所RWTH DAP的创新，将开启智能制造与绿色经济深度融合的新篇章。

琛工业大学数字增材制造研究所RWTH DAP：

RWTH DAP是增材制造（3D打印）领域的全球顶尖科研机构之一。其研究覆盖金属、聚合物、陶瓷等材料的增材制造技术，并致力于推动工艺创新、材料开发、智能化生产及工业应用。

RWTH DAP是ACAM的核心成员，ACAM德国亚琛增材制造中心以亚琛工业大学所在的亚琛园区为基础，汇集亚琛顶级的研发资源并促进行业获得与亚琛工业大学和弗劳恩霍夫Fraunhofer IPT研究所和弗劳恩霍夫Fraunhofer ILT研究所相关的领先科研机构的增材制造专业知识。

ACAM为社区合作企业提供一站式服务，包括从设计到质量控制的整个工艺链，ACAM 涵盖从设计阶段到质量控制的整个流程链，重点关注流程链自动化、定制材料开发、提高生产力和缩短周转时间等面向量产目标的增材制造研发主题。在国内，2024年，上海电气正式加入德国亚琛增材制造中心（ACAM）社区，成为这一联合研发体的中国首家企业合作成员，未来上海电气将与更多国际前沿科研机构携手，不断推动科技创新与开放合作，为发展新质生产力贡献更多的智慧和力量。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注发布的白皮书系列。

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107亿欧元全球工业级增材制造市场，AMPower 2025报告

3DScienceValley — Fri, 28 Mar 2025 09:01:20 +0000

全球增材制造

AMPower 2025 报告全面概述了增材制造（AM）行业的现状和未来趋势。AMPower 2025 报告强调，虽然增材制造行业面临一些短期挑战，但它仍在不断发展和成熟，在关键领域以及通过材料和技术进步具有巨大的增长潜力。

2024年全球107亿欧元的工业级增材制造市场

l 当前状态

2024 年全球增材制造市场放缓，由于客户推迟了设备投资，增材制造市场在 2024 年仅增长了 2%。不过设备销售放缓的另外一端是强劲的材料消耗增长，尽管设备销售放缓，但材料使用量增长了 17%，表明现有机器的利用率有所提高。

全球范围来看，新的初创公司减少，该行业正在转向盈利和战略重新定位，老牌公司正在通过并购来巩固地位。此外，行业驱动型需求的发展趋势明显，航空航天、国防、能源和医疗行业仍然是关键增长领域。这些行业有部署增材制造的明确路线图。

l 未来趋势

增材制造公司越来越多地采用放之四海而皆准的方法专注于专业应用程序以区分自己。例如，Formlabs 通过针对特定市场的预算友好型系统确立了自己的地位。

材料将保持快速创新和增长，在机器利用率提高和关键行业对专用材料需求的推动下，材料显示出更有希望的增长前景。

增材制造社区内的协作对于持续增长至关重要。增材制造技术的持续进步，如集成计算材料工程，有望进一步提高增材制造工艺的能力和效率。

虽然长期增长轨迹仍然乐观，但由于宏观经济因素和地缘政治不确定性，短期挑战仍然存在。一些预测表明，设备销售可能会在 2025 年下半年强劲反弹。

中国增材制造

创始人Kitty Wang在AMPower 2025分享了关于中国增材制造的视角与市场洞悉。

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首都航天机械、北京宇航系统 | 金属增材制造技术在液体火箭发动机推力室制造中的应用与展望

3DScienceValley — Thu, 27 Mar 2025 12:42:03 +0000

金属增材制造（Metal additive manufacturing，Metal AM）是一种基于离散–堆积原理的技术，它以三维数字模型为基础，采用激光、电弧等热源将金属粉末、丝材等原材料通过逐层制造 – 分层堆叠的方式实现三维零件的制造，是集数字化、智能化制造于一身的制造技术，也是未来制造技术的重点发展方向之一。与机加工、铸锻等减材、等材制造技术相比，增材制造技术具有设备柔性好、材料利用率高、无需工装模具快速制造、可实现复杂内腔结构、梯度功能结构整体制造等技术优势。增材制造从技术原理层面突破了复杂异型构件整体制造的技术瓶颈，改变了现有产品设计中“制造驱动设计、产品性能/功能让步制造”的现状，使从功能需求出发的正向设计成为可能，真正意义上实现了“功能优先”的设计概念，是航天装备的升级换代、性能与可靠性提升所需要的一项重要制造技术。

液体火箭发动机是使用液态化学物质作为推进剂和工作介质的化学火箭推进系统，与固体发动机等推进系统相比，具有比冲高、结构冗余多、可靠性好、推力 /工况可调、任务适应性好、可多次启动、可重复使用等技术优势。因此，在运载火箭推进系统中，液体火箭发动机始终占据主导地位，被誉为运载火箭的“心脏”。液体火箭发动机性能和技术水平直接决定运载火箭效能，影响一个国家探索、利用和开发空间的能力和水平，因此被视为航天发展的基石，也是国家安全和大国地位的重要战略保障。推力室是液体火箭发动机的核心组成部分，是将液态推进剂的化学能转换为热能的重要装置，主要由喷注器、燃烧室及喷管3部分组成。在发动机工作时，液体推进剂由喷注器喷入燃烧室，经过一系列复杂的雾化、混合和燃烧等物理/化学反应，形成高温、高压的燃气。燃气在喷管内加速膨胀，最后从出口高速喷出产生推力。此过程在极短时间及有限空间内完成，因此推力室工作环境极为恶劣，工况极端复杂。

当前，空间技术的高速发展对液体火箭发动机提出了更高要求。一方面，高比冲、高推质比等高性能指标要求液体火箭发动机具有更高的燃烧效率及更轻的结构质量，性能提升带来更严酷的工作环境和热负荷，从而对喷注器、燃烧室结构设计、材料，以及制造工艺的性能和可靠性提出更高的要求；另一方面，在全球航天商业化高速发展的背景下，政府主导的传统宇航 / 航天机构和新兴的商业航天公司为争夺国际发射市场，特别重视新型液体发动机研制周期与成本的控制。金属增材制造技术以其特有的技术优势，为液体火箭发动机产品性能、可靠性的提升，以及低成本、短周期制造提供了一种颠覆性的制造手段。以美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）为代表的宇航/航天机构，以美国太空探索公司（SpaceX）、火箭实验室（Rocket Lab）为代表的私营商业航天公司均面向液体火箭发动机增材制造的材料、工艺、应用等方面开展了大量的研究，并取得了良好的示范应用效果。采用增材制造技术可显著减少零组件数量和焊缝数量，提高整个部 / 组件的可靠性，同时大幅缩短研制生产周期与成本。

本文结合液体火箭发动机推力室中喷注器、燃烧室与喷管3个核心部/组件的结构特点，对金属增材制造技术在上述部件研制中的应用现状进行了总结，对液体火箭发动机推力室金属增材制造技术领域的未来研究发展方向作出思考与展望。

1 推力室结构特点及其金属增材制造工艺

1.1 推力室结构特点
液体火箭发动机推力室按照结构与功能特点可以分为喷注器、燃烧室、喷管及延伸段3个主要部/组件，如图1所示。

图1 液体火箭发动机推力室身结构示意图

喷注器的主要作用是按照特定比例将燃料和氧化剂均匀地注入燃烧室并充分燃烧。喷注器主要由氧化剂腔、燃料腔、上百个喷注单元（喷嘴）以及集合器等零件构成，如图2所示。

图2 液体火箭发动机喷注器结构示意图

在喷注器结构中，燃烧室面板是服役性能最苛刻的零件之一，承受极端的温度和压力梯度。燃烧室的作用是将燃料与氧化剂混合并点燃，产生大量的高温高压气体。发动机工作时，燃烧室内压力最高可达20MPa以上，燃气温度最高可达4000K，并且在短时间、有限体积内产生很大的热流量，其中在喉部附近热流密度最高。例如美国航天飞机发动机RS–25推力室内喉部热流密度最高达140mW/m。现有金属材料不能承受高温、高压、高热流冲刷的服役环境，因此，现有液体火箭发动机燃烧室一般采用密排流道的再生冷却结构，如图3所示。

图3 燃烧室再生冷却结构示意图

喷管与喷管延伸段位于推力室后端，燃烧室产生的高温燃气经喉部加速后排出，从而产生推力。根据冷却方式不同，金属材料喷管及其延伸段的结构形式主要有带冷却流道的夹层结构和不带流道的单壁结构。

1.2 金属增材制造工艺
现阶段金属增材制造技术根据是否存在熔化–凝固过程，可分为固相增材与熔融增材两大类。在熔融金属增材中根据材料送给方式不同又可分为定向能量沉积与粉末床熔融增材，根据材料状态以及热源不同可进一步细分，如图4所示。

图4 常用金属增材制造技术分类

在液体火箭发动机推力室增材制造中，根据喷注器、燃烧室等产品结构形式、材料与功能需求不同，采用的增材制造技术主要有激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion，L-PBF）、激光送粉 / 丝熔化沉积（Laser powder/wire direct energy deposition，LP/LW-DED）、电子束熔丝沉积（Electron beam wire direct energy deposition，EBW-DED）、电弧送丝熔化沉积（Wire arc direct energy deposition，WA-DED）、冷喷涂增材（Cold spray additive manufacturing，CSAM）等，详见表 1。

表1 各类增材制造技术在发动机推力室部 / 组件中的应用

激光粉末床熔融增材制造技术是以激光为能量源，基于粉末床铺粉的增材制造技术，其技术原理如图5所示，具有成形精度高、无需磨具、可实现复杂内腔结构整体制造等技术优势。可实现推力室中核心部件的集成化、轻量化设计制造，大幅减少零件与焊缝数量，提升发动机推力室产品的可靠性。该技术主要用于喷注器中圆周阵列喷嘴结构、燃烧室再生冷却内流道结构的整体制造。

图5 激光粉末床熔融增材制造技术原理示意图

激光送粉/丝熔化沉积、电弧送丝熔化沉积、电子束熔丝沉积为3种不同热源的定向能量沉积增材制造技术，技术原理分别如图6、图7、图8所示。定向能量沉积技术具有沉积效率高、可实现异种金属、梯度功能/异种金属材料增材制造的特点，主要用于燃烧室铜–高温合金双金属结构中高温合金外壁的制造。为了满足发动机中大尺寸构件低成本、高效率制造需求，激光精细送粉沉积技术还用来制备喷管类大尺寸薄壁流道结构。

图6 激光送粉/丝熔化沉积增材制造技术原理示意图

图7 电弧送丝熔化沉积增材制造技术原理示意图

图8 电子束熔丝沉积增材制造技术原理示意图

冷喷涂增材制造技术是一种以粉末为原材料的固相增材制造技术，其技术原理如图9所示。冷喷涂增材制造技术使用高压气体作为粉末输送与加速的介质，高压气体与粉末混合后经过特殊设计的拉瓦尔型收缩–扩张喷嘴加速，形成超音速气–固两相流，带动粉末颗粒，以低温（–600℃~室温）超音速在完全固态状态下撞击基板，使颗粒发生强烈塑性变形，并沉积形成堆积层，完成三维零件的制造。冷喷涂增材制造技术主要用于燃烧室铜–高温合金双金属结构中高温合金外壁的制造。由于整个冷喷涂增材过程不存在熔–凝过程，粉末完全保持固体状态，不会发生相变以及其他化学反应，并且，材料沉积过程中也不会产生较高的热应力，避免了热应力导致的变形问题。

图9 冷喷涂增材制造技术原理示意

2 金属增材制造技术应用现状

2.1 推力室集成应用

NASA在增材制造技术演示验证发动机（Additive manufacturing demonstrator engine，AMDE）项目的支持下，开展了基于增材制造工艺的35k lbf推力氢氧发动机研制工作。AMDE发动机中推力室、涡轮泵、阀门等主要部件均采用增材制造，如图10所示。推力室喷注器采用基于激光粉末床熔融工艺的结构设计方案，零件数量由255个减少到6个。其中通过喷嘴与中底的整体化设计，零件数量由162个减少到2个，并且降低了30%的制造成本，如图11所示。

图10 AMDE 发动机采用增材制造的主要部件

图11 集成化设计整体增材制造的AMDE发动机喷注器

阿里安集团在ESA支持膨胀循环技术集成演示验证发动机（Expander-cycle technology integrated demonstrator，ETID）项目的支持下采用增材制造技术进行全尺寸推力室的研制，其中推力室喷注器采用整体化设计与激光粉末床熔融制造，燃烧室中再生冷却铜合金内壁与外壁采用冷喷涂增材制造工艺，如图12所示。并在发动机喷管延伸段中采用激光送丝熔化沉积技术制备了加强环结构。

图12 增材制造EDIT发动机推力室

如图13所示，美国洛克达因公司在新一代上面级发动机RL–10C–X中采用激光粉末床熔融制备了喷注器、推力室身部、喷管等零件。其中喷注器与高效冷却结构的喷管采用Inconel 625高温合金，燃烧室采用C–18200铬铜合金。采用激光粉末床熔融增材制造技术为推力室的设计带来了更高的自由度，可以实现更高导热效率的集成设计内流道等先进结构的制造。

同时，使整个火箭发动机推力室更加紧凑和轻量化，与RL–10C–1相比，整个推力室减少了90%以上的零件数量，同时缩短了数月的研制周期。

图13 增材制造的RL–10C–X发动机推力室

SpaceX的龙飞船超级天龙座逃逸发动机推力室头部、身部等高性能复杂内腔构件的研制中大量使用增材制造技术（图14），用于提高产品的性能与可靠性，同时降低零件的研制成本，缩短研制周期。

图14 SpaceX公司龙飞船中超级天龙座逃逸发动机推力室

2.2 喷注器应用

喷注器一般由多排呈圆周排列的上百个喷嘴、燃料腔、氧化剂腔以及集合器等构成。现有的喷注器制造工艺是先分别加工单个喷嘴，然后再与底部组合件进行焊接。整个喷注器零件数量较多，加工周期长。采用激光粉末床熔融技术可实现喷注器结构的整体增材制造，大幅减少零件与焊缝数量，提高喷注器的可靠性。早在2013年NASA开展喷注器结构整体设计与增材制造研究，图15为采用激光粉末床熔融增材制造技术研制的多款不同燃料组合的喷注器产品及热试车情况。

图15 NASA采用激光粉末床熔融制备多种喷注器

空中客车集团在新一代膨胀循环VICI发动机的研制中采用增材制造技术制备了整体喷注器（图16），零件数量由248个减少到1个，同时降低了50%的制造成本。同时，在喷注器液氧集合器结构设计中（图17），采用基于增材工艺的拓扑优化设计实现了近25%的结构减重。

图16 发动机一体化喷注器制备流程

图17 喷注器液氧集合器轻量化设计

面向未来重复使用发动机中喷注器、预燃室等热端部件以及涡轮泵燃气端等高温服役环境的需求，NASA格伦研究中心采用集成材料计算方法设计并研制了适用于激光粉末床熔融工艺，且具有良好高温性能与高温抗氧化性的氧化物弥散强化GRX–810合金。试验表明，在1093℃，GRX–810合金的强度较常用的Inconel 718、Inconel 625等镍基高温合金提高了近一倍，高温抗蠕变性提高了一个数量级。GRX–810合金的制备工艺：在NiCoCr合金粉末外包覆Y2O3 纳米颗粒，通过激光粉末床熔融快速熔凝，使 Y2O3 颗粒弥散分布于晶界，从而达到强化效果。

NASA马歇尔航天飞行中心采用GRX–810合金制备了发动机喷注器，如图 18所示，并在液体发动机增材优化和可重复组件开发项目中对装有GRX–810喷注器与喷管的推力室开展了液氢–液氧与液氧–甲烷两种推进剂组合的热试车试验。两台液氧–甲烷燃料喷注器试验次数分别为29次和84次，累计时间分别为586.5s和2227.9s。在液氧–甲烷燃料测试中，Inconel 625喷注器在10次热试车后出现明显损坏，而GRX–810喷注器无明显烧蚀损坏，如图19所示。

图18 采用激光粉末床熔融工艺制备的GRX–810合金喷注器

图19 不同材料喷注器液氧甲烷燃料多次热试验后形貌

除了单一材料外，为了满足喷注器高温度梯度服役环境的需求，NASA提出双种金属喷注器的设计方案，在喷注器面向燃烧室的底面采用高导热铜合金，其余部位采用高温合金。

图20为采用激光粉末床熔融工艺制备的GRCop–42铬铌铜合金/Inconel 625高温合金双金属喷注器。图21为双金属喷注器激光粉末床熔融成形的主要工艺流程，首先成形铬铌铜面板，成形后清理激光粉末床熔融设备中的铜粉，加入Inconel 625高温合金粉末成形喷注器的其余部分。

图20 GRCop–42/Inconel 625双金属喷注器

图21 双金属喷注器面板激光粉末床熔融工艺方案

2.3 燃烧室应用

液体火箭发动机燃烧室为了满足高温、高压、高热流密度的极端服役工况，结构采用上密排内流道再生冷却结构方案。现有的发动机燃烧室密排流道的制造工艺流程为旋压/模锻内壁毛坯→加工内外型面与沟槽→电铸/焊接/热等静压等连接技术。现有制造方案存在流程长、工序多、制造成本高等问题，不能满足运载火箭高频率发射对液体火箭发动机高效率、低成本制造的需求。采用激光粉末床熔融为主的增材制造技术可实现密排流道结构的整体制造，缩短制造周期、减少制造成本。NASA在低成本上面级动力系统项目（Low cost upper stage-class propulsion，LCUSP）中对比现有热等静压连接工艺与增材制造工艺周期与成本，采用整体增材制造技术，可缩短72%的制造周期，并减少60%的制造成本，如表2所示。

表2 不同燃烧室制造工艺周期成本对比

目前采用激光粉末床熔融制造工艺的燃烧室根据所选用的材料不同可分为单金属燃烧室和双金属燃烧室。单金属燃烧室所用材料一般为高温强度较好的镍基高温合金或导热性较好的铜合金；双金属燃烧室内壁材料为导热性较高的铜合金。外壁材料一般选用强度较高的高温合金材料，工艺主要为送丝或送粉的熔化沉积技术或冷喷涂增材技术。

2.3.1 单金属燃烧室

美国Rocket Lab、Relativity Space、Launcher 等商业航天公司在其液体火箭发动机研制与批产中大量采用增材制造技术缩短研制周期，降低研制生产成本，减少研发生产阶段人员与设备投入。Rocket Lab公司 Rutherford液氧煤油发动机中喷注器、燃烧室等部件均采用激光粉末床熔融工艺整体制造，该公司电子号火箭每发配10台Rutherford，其中一级9台，二级1台。2017年至今，已经进行了48次火箭发射，采用增材制造大幅提升了该型发动机的生产效率。Relativity Space在全增材制造火箭Terran 1与未来可重复使用运载火箭Terran R中的液氧煤油发动机Aeon 1与Aeon R中的燃烧室均采用激光粉末床熔融制备，其中Aeon 1燃烧室材料为镍基合金，Aeon 2燃烧室为铜合金，如图22所示。美国Launcher公司研制的E–2发动机燃烧室采用整体激光粉末床熔融制造的CuCrZr合金，如图23所示。美国Ursa Major公司为中小运载火箭一级高超声速武器所研制的Hadley与Ripley发动机，其燃烧室采用激光粉末床熔融工艺，材料分别为GRCop–42与镍基高温合金。

图22 Aeon 1和Aeon R发动机燃烧室

图23 E–2火箭发动机与铜合金燃烧室

为了满足燃烧室高温服役环境的需求，英国牛津大学联合Alloyed公司等企业，采用基于数据模型驱动的合金组元设计方法开发了适用于增材制造工艺的ABD®系列时效强化镍基高温合金。与现有Inconel系列镍基高温合金相比， ABD®系列合金通过成分设计降低增材制造以及热处理过程的裂纹敏感性。其中ABD®–900AM合金具有良好的高温力学与抗蠕变性能，其极限工作温度较Inconel 718高了近100 ℃，如图24所示。

图24 激光粉末床熔融成形ABD®–900AM与Inconel 718AM机械性能

英国 Airborne 公司采用ABD®–900AM进行了发动机燃烧室的设计与激光粉末床熔融工艺研究，对液氧煤油燃料再生冷却燃烧室仿真分析结果表明，采用ABD®–900AM合金可比Inconel 718燃烧室热流通量增加约14%，室压提高约18%，并提升发动机的比冲，图25为Airborne采用 ABD®–900AM材料制备的发动机燃烧室，并进行了热试车考核。

图25 增材制造的ABD®–900AM燃烧室

2.3.2 双金属燃烧室

对于高性能液体火箭发动机燃烧室，铜合金或镍基合金的强度及导热性难以满足高室压和高热流的服役环境的要求。因此，需要采用带流道的铜合金内壁+高温外壁的双金属结构。带流道的铜合金内壁保证燃烧室燃气壁面的冷却需求，外壁的高温合金用于增加/保持整个燃烧室的强度。图26为双金属燃烧室复合增材制造的主要工艺流程。首先采用激光粉末床熔融工艺制备带流道的铜合金内壁，然后采用熔化沉积或冷喷涂增材等工艺以铜合金内壁为基底增材制造高温合金外壁，最后机加工外壁、焊接集合器等零部件，完成整个燃烧室的制造。

图26 双金属燃烧室复合增材制造工艺流程

针对未来高性能可重复使用火箭发动机对燃烧室内壁材料的要求，NASA格伦研究中心开发了名义成分Cu–4Cr–2Nb、Cu–8Cr–4Nb的GRCop–42与GRCop–84两种CRCop系列铬铌铜合金。其中，弥散析出的Cr2Nb能细化铜的晶粒尺寸并限制晶粒长大，提升了铜合金的强度，同时可以保证铬铌铜合金具有良好的高温服役性能。GRCop系列铬铌铜合金最高工作温度可达800 ℃，采用铬铌铜合金制造的燃烧室已经在超过750 ℃的高温氧化环境中成功地通过了热试车考核。而现有的推力室身部所用的铜合金材料中，纯铜的工作温度约为200 ℃，铬锆铜等其他铜合金工作温度不超过 500 ℃。同时，GRCop系列铬铌铜具有良好的低周疲劳性能与高温抗蠕变性能。采用GRCop系列铜合金代替现有的铜合金材料，不仅能提升燃烧室高温服役性能，满足高性能发动机高燃烧温度、高室压的要求，而且可满足重复使用发动机对燃烧室疲劳性能性能的要求。

NASA马歇尔航天飞行中心联合格伦研究中心及其他工业合作伙伴，在LCUSP、推进系统快速分析验证（Rapid analysis and manufacturing propulsion technology，RAMPT）等项目中开展了大量的发动机燃烧室双金属结构复合增材制造技术的研究，其中铜合金内壁的制造工艺为激光粉末床熔融，材料为GRCop系列铬铌铜合金。外壁为Inconel系列镍基高温合金、HR–1抗氢脆高温合金（JBK–75发展而来的高强度铁–镍基高温合金，具有良好高压抗氢脆性能、强度、塑性与焊接性）等材料，制造工艺包括激光送粉熔化沉积，电子束熔丝沉积等定向能量沉积工艺，如图27~29所示。

图27 激光送粉熔化沉积制备HR–1与Inconel625燃烧室外壁

图28 电子束熔丝沉积制备燃烧室外壁

图29 电弧送丝熔化沉积制备燃烧室外壁

NASA马歇尔航天飞行中心在先进着陆器推进系统组件冷喷涂增材制造（Advanced lander propulsion additive cold spray assembly，ALPACA）等项目支持下，在激光粉末床熔融工艺制备的GRCop–42铜合金内壁上，采用冷喷涂增材技术制备了发动机身部HR–1外壁，如图30所示。与定向能量沉积技术相比，冷喷涂增材属于固相增材制造，避免了热能量输入导致的变形以及残余应力等问题。在LCUSP等项目中，NASA马歇尔航天飞行中心针对不同推进剂与不同推力的双金属增材制造燃烧室开展的热试车情况如表3所示。

图30 冷喷涂增材制备的发动机身部HR–1外壁

表3 NASA双金属增材制造燃烧室热试车考核试验情况

除了激光粉末床熔融与熔化沉积的复合增材制造技术外，冷喷涂增材、激光送粉熔化沉积技术也可实现双/多金属燃烧室的增材制造。图31为InssTek公司采用5轴多路精细送粉设备激光送粉熔化沉积制备的多材料燃烧室，其中燃烧室入口端为Nimonic 75镍基高温合金，出口端内壁为铝青铜，外壁为Inconel 718镍基高温合金。

图31 激光送粉熔化沉积成形多金属燃烧室

图32为德国Impact公司采用CSAM技术制备双金属燃烧室的主要工艺流程，首先采用冷喷涂制备铜内壁，机加工表面，冷喷涂制备Ni外壁，最后机加内外型面。整个燃烧室制造时间仅为4.17h，其中铜合金沉积效率达到9.2kg/h，Ni沉积效率为10kg/h。

图32 冷喷涂增材工艺制备双金属燃烧室工艺流程

图33为英国Airborne公司联合德国Impact公司基于冷喷涂增材技术设计的燃烧室，其中内壁材料为CuCrZr，外壁材料为Inconel 625。图34为采用冷喷涂增材工艺制备的燃烧室进口位置验证件。图35为双金属燃烧室冷喷涂增材工艺流程，铜合金内壁首先在仿形基底上冷喷涂增材成形，然后机加工流道沟槽；在沟槽内填满可溶解填充物后冷喷涂增材成形流道外壁；机加工外壁与流道进口后，套装集合器内壁仿形铝合金基底，喷涂高温合金外壁与集合器；采用化学方法去除流道与集合器内填充物，加工燃烧室外壁，焊接进口法兰后完成样件的最终制造。

图33 基于冷喷涂增材工艺的燃烧室结构示意图

图34 冷喷涂增材制造燃烧室进口集合器样件

图35 冷喷涂增材工艺制备燃烧室进口集合器流程图

2.4 喷管延伸段应用

喷管延伸段的主要结构有带流道夹层结构、单壁结构等。相对于喷注器、燃烧室等零组件，喷管及延伸段的尺寸一般较大，采用激光粉末床熔融沉工艺对设备成形尺寸以及粉末材料用量都有较高的要求。因此，在现有的研究应用中主要采用熔化沉积技术进行喷管延伸段的研制。
早期，受到工艺与装备的限制，喷管延伸段一般采用分步增材，以及增–减结合的工艺方案。在喷管延伸段分步增材中，首先采用电弧送丝熔化沉积制备喷管的内壁，机加内外型面，采用水切割工艺加工流道沟槽，采用激光送丝熔化沉积工艺制备喷管外壁，如图36所示。图37为NASA马歇尔航天飞行中心采用分步增材制造技术制备的发动机喷管，并与增材制造喷注器、燃烧室组成推力室进行了液氢液氧燃料的热试车考核。采用激光送丝熔化沉积技术还可实现双金属喷管延伸段的制造。图38为在现有工艺制备的铜合金沟槽内壁上沉积外壁实现喷管延伸段的制造。

图36 激光送丝熔化沉积制造喷管流道外壁的示意图

图37 喷管延伸段分步熔化沉积工艺流程

图38 激光送丝熔化沉积制造双金属喷管延伸段

随着精细送粉的激光送粉熔化沉积装备与技术发展，采用该技术可直接成形带内流道的大尺寸喷管。与分步增材制造相比可一次直接成形内流道结构，取消了沟槽加工的工序，大幅降低了制造成本与制造周期。

NASA马歇尔航天飞行中心在精细送粉激光送粉熔化沉积带流道喷管的研究中，所采用的材料主要为NASA HR–1合金。在NASA HR–1合金激光送粉熔化沉积的工艺研究中，针对工艺特性优化了HR–1的化学成分与后处理工艺。面向大尺寸内流道喷管制造，NASA开展了薄壁结构激光送粉熔化沉积工艺研究，分析了不同成形工艺参数、流道特征尺寸与粉末粒径对不同角度成形件壁厚与表面粗糙度的影响，如图39所示。采用精细送粉激光送粉熔化沉积工艺研制了65%比例的RS–25发动机喷管延伸段（图40），以及氢氧发动机螺旋流道喷管延伸段（图41），并进行了热试车考核。

图39 NASA HR–1合金薄壁结构激光送粉熔化沉积工艺研究

图40 激光送粉熔化沉积成形65%比例RS–25发动机带内流道喷管

图41 激光送粉熔化沉积成形螺旋流道喷管

精细送粉激光送粉熔化沉积成形喷管延伸段另一个技术方案是在燃烧室底部直接成形喷管延伸段，实现轴向双金属结构的增材制造。NASA马歇尔航天飞行中心在RAMPT项目中，采用此方案研制了多种推力的发动机推力室与喷管延伸段，图42是推力40k lbf的燃烧室和喷管增材制造的工艺流程。

图42 采用激光粉末床熔融和激光送粉熔化沉积工艺制造40k lbf燃烧室和喷管流程

为满足未来深空探测发动机轻量化的需求，NASA联合粉末材料商 Elementum 3D公司开发了适用于激光增材制造工艺且具有良好可焊性的铝合金A6061–RAM2。A6061–RAM2是一种在Al–Mg–Si系6061铝合金粉末基础上添加质量分数2%陶瓷的颗粒增强铝合金材料。NASA马歇尔航天飞行中心主持开展了A6061–RAM2 的激光粉末床熔融与激光送粉熔化沉积的工艺研究。采用激光送粉熔化沉积工艺制备了氢氧与液氧甲烷两种燃料组合的发动机中带内流道喷管延伸段（图43），并开展了多次热试车考核。相关研究与测试结果表明，采用合理冷却流道的新型铝合金构件具备在高热流密度工况下服役的潜质，为喷管类产品轻量化设计制造提供新的技术途径。

图43 A6061–RAM2喷管延伸段激光送粉熔化沉积工艺流程

在难熔金属单壁结构喷管制造方面，利用激光送粉熔化沉积在成形过程中熔池温度高的特性，可实现铌合金、铼合金等难熔合金单壁喷管延伸段的制造。图44是韩国InssTek公司采用激光送粉熔化沉积工艺研制的C–103铌合金喷管，喷管大端直径432mm、小端直径270mm、高169mm。

图44 激光送粉熔化沉积制造的铌合金喷管延伸段

采用增材制造技术还可进行喷管延伸段中加强结构等部件的制造。GKN宇航公司在ETID与Vulcain 2.1发动机喷管的研制中采用激光送粉熔化沉积技术进行了加强结构的直接制造，在Vulcain 2.1喷管研制中通过采用激光送粉熔化沉积技术，零件数量由约1000个减少到10 个，同时大幅缩短了研制周期，降低了成本。

3 技术挑战

增材制造技术为液体火箭发动机推力室中复杂构件的高可靠、高性能、高效率、低成本、短周期制造提供了颠覆性的解决方案，在NASA、ESA、SpaceX等商业航天公司中的研究应用中体现出巨大的优势。但是在增材制造应用推广中，仍存在结构设计方法不健全，缺少适用于增材制造的高性能材料等技术挑战，制约了增材制造技术在液体火箭发动机推力室制造中的应用，主要体现在以下几个方面。

（1）基于增材制造工艺特点的结构设计方法不健全。
推力室结构多采用规则型面、等截面或等壁厚等设计方案，采用增材制造工艺的推力室零件大多为“制造工艺原位替代”或零件简单整合后集成制造。缺少根据推力室实际载荷工况优化设计准则与指导意见，不能充分发挥出增材制造技术在功能驱动设计、拓扑优化设计与集成化设计方面的优势。

（2）缺乏适用于增材制造极端非平衡冶金过程高性能材料研究。
发动机推力室增材制造采用的材料多为与现有工艺相同牌号材料。增材制造过程是一个极端非平衡的冶金过程，以激光粉末床熔融工艺为例，其熔池凝固速度最高可达10^6~10^7K/s，是常规凝固速率的10^4~10^5倍。现有材料成分多为基于铸/锻工艺特性，部分材料在增材制造中存在裂纹敏感性高、动态性能差等问题。同时，现有工艺中材料制备与零件制造是两个独立的过程，先进行材料制备，再进行零件的制造。而增材制造可通过多种粉末包覆/混合、多路送粉等方法，在极端非平衡冶金过程中实现颗粒增强金属基复材、梯度功能材料等高性能材料制备与零件制造同步进行。目前相关技术尚处于起步阶段，相关研究应用较少。

（3）后处理技术与增材制造发展不同步。
增材制造后处理主要包括去支撑、热处理、表面处理以及焊接 / 连接等技术。随着增材制造技术的高速发展，针对增材制造技术特点的后处理技术的发展相对滞后，没有形成较为成熟与完善的后处理技术体系。对于发动机推力室，现有的磨粒流、水射流等表面光整处理技术难以满足喷注器中亚毫米级环形喷嘴、燃烧室与喷管中毫米级大长宽流道等复杂内腔结构对表面形貌与粗糙度的要求，直接影响上述产品的雾化、流阻等功能特性，严重制约了增材制造技术在推力室制造中的应用。同时热处理、焊接等后处理工艺也缺乏针对增材制造分层制造与极端非平衡冶金过程所形成的特殊显微组织的优化调整。

（4）质量检测与评价标准不完善。
在发动机推力室产品的制造中，增材制造技术多应用于复杂内腔结构的整体制造。现有的“先制造，后检测”模式以及射线、超声等无损检测方法在复杂内腔结构质量检测中存在一定的技术局限，对部分缺陷不能准确地分析与评价。同时，由于目前缺乏缺陷对增材制造材料与构件静/动性能以及缺陷损伤容限的影响等方面系统性研究，使得现有制造技术标准体系不能完全适用于增材制造零件的评价。

4 结论与展望

“航天发展，动力先行”，液体火箭发动机作为航天动力系统的重要组成部分。在航天商业化和太空经济化的背景下，除了高性能、重复使用的发展趋势外，在制造技术方面提出了高可靠、高效率、低成本的要求。增材制造以其独特的技术优势，在液体火箭发动机中可实现大尺寸、复杂内腔结构的整体制造，在提高结构效能、保障产品质量和降低制造成本方面有着巨大技术优势。通过对研究应用现状以及现阶段技术挑战的梳理，提出以下技术展望。

（1）基于增材制造技术的结构优化设计技术。
随着计算机辅助设计（CAD）与人工智能（AI）技术的不断发展，功能驱动的结构创成设计将越来越广泛地应用于推力室中复杂内腔构件的设计。AI+创成式设计是一个自动化的设计过程，在AI驱动下利用物理模型，大量计算资源与先进的优化技术，在三维设计空间内精准生成零件特征。通过算法对生成的设计进行高速迭代，形成多个设计模型。采用仿真模拟与增材制造实体零件测试，最终获得具有理想性能的高度优化的设计方案。

Hyperganic、LEAP 71等公司分别采用AI驱动创成式设计平台，设计了适用于增材制造的发动机喷注器、燃烧室等结构。在结构设计时，只需要输入燃烧室形状、冷却性能要求、增材制造工艺约束等核心功能参数数据，基于上述数据，算法生成符合设计性能与增材制造工艺研究的燃烧室模型。

（2）适用于增材制造工艺的高性能极端服役环境材料。

材料是决定发动机性能、可靠性和成本的重要因素之一，是发动机研制中的一项基础技术、先导技术和关键技术。新一代液体火箭发动机性能的提升以及可重复使用性对材料在高温、交变应力、低温等极端服役环境下的性能提出了更高的要求。随着机器学习、AI、集成计算材料工程、高通量计算与试验等技术的快速发展，在现有材料基础上通过相图计算进行成分调控，可降低增材制造裂纹敏感性、改善动态性能。同时，借助增材制造过程中极端非平衡的冶金过程，可实现常规工艺难以实现的材料 – 结构一体化制备。

氧化物弥散强化（ODS）合金、颗粒增强金属基复合材料、轻质耐高/低温的中/高熵合金等新型金属材料不断涌现。与现有的金属材料相比，这些新型材料具有更好的极端环境服役性能或更满足服役条件下更低的密度，满足新一代液体火箭发动机推力室对深低温、超高温和重复使用等极端服役环境下的高承载、抗蠕变与疲劳、轻量化等高性能要求。

（3）整体制造复杂内腔结构后处理技术。

粉末清理、去支撑、表面光整等后处理技术是推力室全流程增材制造中重要的一环。特别是对于整体增材制造的喷注器中燃料/氧化剂喷嘴以及燃烧室、喷管延伸段中内流道等复杂内腔结构的表面光整成为直接影响技术应用的重要因素。发动机同轴喷嘴一般环形间隙在亚毫米级，燃烧室、喷管延伸段中流道尺寸一般在毫米级，流道长径比一般大于100，流道数量大于200。这类内流道结构的尺寸精度、表面粗糙度对发动机推力室的性能有着决定的影响。而现有的表面处理工艺难以满足小尺寸、密排长流道等复杂内腔结构的表面光整。对于此类狭小复杂的通道结构，开展化学抛光、磁驱动磨料抛光以及水基磨料流抛光等柔性抛光技术研究与应用是技术发展的重点方向之一。除了复杂内腔的表面光整技术以外，随着增材制造零件复杂度的增加，粉末清理、表面抛光、连接、机械加工等后处理技术对于保证增材制造发动机推力室部/组件产品的质量可靠性与一致性有着重要的影响。

（4）质量检测与评价技术。

随着增材制造技术在发动机推力室中复杂内腔结构整体化制造的广泛应用，现有的射线、超声等检测技术无法适应产品的质量检测与评价的需求。增材制造产品的质量检测与评价主要包括增材制造过程数据原位采集、分析与回溯，成形产品缺陷的检测与表征，以及相关技术标准的建立。

对于发动机中整体增材制造复杂内腔结构，现有的无损检测技术难以实现此类结构的无损检测。在增材制造过程中通过采集熔池红外信号与单层成形可见光图形，识别成形过程中异常情况，成为增材制造复杂内腔构件质量评价技术未来发展的重点之一。

同时机器学习与数字孪生技术的发展推动了增材制造过程数据原位采集、分析与回溯等相关技术的快速发展。数字孪生技术通过输入工艺模型数据与原位采集的实时数据建立虚 – 实映射，实现增材制造过程的可视化。对产品增材制造过程中质量波动与一致性进行监控，为后续的质量评价提供依据。

对于整体成形复杂内腔结构的无损检测，采用工业CT可以有效地检测出复杂内腔结构中的缺陷与多余物。但是工业CT针对大尺寸、厚壁结构以及铜、高温合金等X射线吸收率较高的材料，其检测方面还存在一定局限性。

将工业CT检测结果与增材制造过程数据采集相结合，构建过程数据与内部质量映射关系数据库，实现对增材制造复杂构件的质量检测与评价。

未来随着AI辅助功能驱动的结构设计算法、高性能材料、智能化增材制造装备、后处理等先进技术的持续发展，面向增材制造的先进结构设计理念的日趋深入，增材制造产业链的逐步健全以及质量评价标准体系的不断完善，增材制造技术将在液体火箭发动机高性能推力室产品的设计制造中发挥更大的作用，满足未来开发利用近地空间与探索外层空间的需求。

主体内容来源
航空制造技术 l

http://www.amte.net.cn/CN/Y2024/V67/I23/24/88

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激光选区熔化TC4闭式叶轮的成形仿真与支撑优化设计…l 【焦点 l 航空航天】

3DScienceValley — Wed, 26 Mar 2025 03:09:51 +0000

激光选区熔化TC4闭式叶轮
的成形仿真与支撑优化设计

张文玮1李博海2刘征1,3赵猛1张琦1陈孟1
1.中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司2.中国人民解放军93147部队3.南昌航空大学航空制造与机械工程学院

摘要：

随着金属增材制造技术的快速发展，激光选区熔化技术因具有成形自由度大、精度高及表面粗糙度低的优势，被广泛应用于钛合金闭式叶轮的生产。在增材制造过程中，闭式叶轮内部通常无法自成形，需要添加支撑结构。

为了能够设计出最优的闭式叶轮内部支撑方案，利用Simufact Additive增材制造仿真模拟软件，对闭式叶轮成形过程的变形以及残余应力进行模拟仿真。基于仿真结果，调整支撑的类型、尺寸、分布以及成形参数来调控支撑本体的力学性能，并使用微观CT等手段分析了支撑强度和孔隙率之间的关系。

结果表明：支撑优化后，闭式叶轮内腔支撑去除后的表面粗糙度从原块体支撑的528μm降到了13μm，疲劳强度提高了约84.8%。

增材制造Co-Cr-W合金修复QT400-18
球墨铸铁发动机机体的抗穴蚀性能研究

肖宇枫1魏翔宇2张峰2高俊杰2孙兵兵1
1.中国航发北京航空材料研究院2.航发优材(镇江)增材制造有限公司

摘要：

为提高球墨铸铁发动机机体的表面性能，解决使用过程中空泡溃灭产生的穴蚀问题，分别采用激光熔覆和氩弧焊在QT400-18球墨铸铁表面进行Co-Cr-W钴基合金层的增材修复，并对熔覆层和堆焊层试样的组织、硬度、室温拉伸性能、抗穴蚀性能进行分析。

结果表明：修复层主要为细小的、交错生长的柱状晶和树枝晶，激光熔覆层的组织比氩弧焊层组织更细密，硬度更高；这两种修复层试样的抗拉强度和基体接近，但塑性下降；经8 h穴蚀后，QT400-18基体损伤严重，激光熔覆试样和氩弧焊试样的表面较光滑，其抗穴蚀性能明显提高，激光熔覆试样和氩弧焊试样的失重相比球墨铸铁基体分别降低95.32%、93.58%。

基于粉末级成型模拟的
金属增材制造工艺优化

孟庆泽、樊江、袁庆浩
北京航空航天大学能源与动力工程学院

摘要：

金属增材制造的孔隙缺陷问题对增材制造构件的性能有较大影响，如何设置工艺参数以减少此类缺陷是金属增材制造的关键性难题。采用最优运输无网格法（Optimal Transportation Meshfree， OTM）结合粉末尺度模型直接模拟同轴送粉工艺中的强流固热耦合过程预测成型结果的孔隙分布与形貌，并与试验结果进行对比验证方法的准确性。

在此基础上，基于数据驱动思想探究工艺参数-孔隙的影响规律，结合多岛遗传算法（Multi-Island Genetic Algorithm， MIGA）获得设计空间内最佳工艺参数。采用优化后工艺参数的仿真结果形貌完整、孔隙率明显下降，与试验的孔隙率、宽度和高度测量结果最大误差不超过5%，表明结合粉末级直接数值仿真技术和优化设计方法是实现金属增材制造工艺参数优化的可行策略。

基于全局灵敏度的高效一体式
隔振超结构不确定性分析

王东贤、赵建雷、赵伟佳、朱睿
北京理工大学宇航学院

摘要：

以控制力矩陀螺等为代表的航天器执行机构能产生微扰振，后者直接影响光学荷载的成像精度和航天器关键部件的寿命，从而降低航天器的核心性能。一体式隔振超结构展现出了优异的隔振性能，但是由制造误差带来的几何不确定性会影响其隔振频带和隔振效果。

该研究提出一种基于全局灵敏度的高效不确定性分析方法，能够在隔振超结构设计过程中准确地量化由制造误差带来的隔振性能偏差。首先，将高阶的稀疏点区间切比雪夫多项式展开与基于方差的Sobol’灵敏度指数相结合得到一种高效的全局灵敏度分析方法。该方法与传统蒙特卡洛灵敏度分析方法相比计算效率提高了三个数量级。其次，通过忽略全局灵敏度指数较小的区间变量，大大减少了由复杂单元组成的超结构不确定性分析的工作量。最后，进行了不确定性灵敏度分析方法的试验验证。

结果表明，所提出的基于全局灵敏度的不确定性分析方法可为隔振超结构的设计与制造提供高效指导。

基于增材制造的“猫耳形”
气膜孔冷却性能研究

张立浩1钱波1茅健1樊红日1张朝瑞1李旭鹏2
1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院2. 北京德荟智能科技有限公司

摘要：

针对目前气膜冷却存在的冷却效果不理想，冷却效率较低等问题，提出基于双曲线的“猫耳形”气膜孔，对“猫耳形”气膜孔的结构参数及平板模型分布参数进行优化，并通过金属增材制造技术打印气膜孔样品进行实验。通过实验分析得到了气膜孔优化后的最佳结构参数和平板模型的最佳分布参数，并对冷却气流的射出速度进行了合理优化，单个气膜孔的最优冷却效率为55.56%，多列气膜孔的最高冷却效率达到73.10%，较相关文献中气膜孔平均冷却效率提升了6.10%，最优列间距R为15 mm。实验研究为涡轮叶片气膜孔的设计优化及气膜孔在涡轮叶片上的分布参数提供了重要的参考价值和设计经验。

3D打印非晶合金
研究进展及空间应用展望

封国宝1李亚峰1王琪1张恒1苗光辉1李韵1胡天存1郭诚2
中国空间技术研究院西安分院空间微波通信全国重点实验室2.西安交通大学电子与信息学部

摘要：

面向空间极端化境的高适应非晶合金器件易于采用3D打印成型，同时能有效实现空间载荷的一体化和轻量化。

课题针对3D打印非晶合金综述了在制备和性能方面的研究进展，介绍了3D打印工艺的主要技术特点、成型影响因素和几种主要的非晶合金材料类型，以及微波器件关注的表面粗糙度以及表面电导率研究现状，并展望了3D打印非晶合金在面向空间载荷上的应用前景。文章阐述的内容可为空间3D打印技术和非晶合金的在轨高可靠应用提供技术参考。

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新加坡国立大学等 l 下一代自主增材制造系统的未来发展方向

3DScienceValley — Tue, 25 Mar 2025 01:28:10 +0000

1 作者
范昊林，刘辰澍，边世杰，马长语，黄俊霖，刘轩，Marshall Doyle, Thomas Lu, Edward Chow，陈连义，傅盈西，卢文峰，李冰冰

2 机构
美国加州州立大学北岭分校，新加坡国立大学，美国威斯康星大学麦迪逊分校等

3 Citation
Fan H L et al. 2025. New era towards autonomous additive manufacturing: a review of recent tre

01 文章导读

基于数字化制造和人工智能技术快速发展的背景下，增材制造系统仍面临知识碎片化、高度依赖人工操作等挑战，严重限制了其自主化运行能力。近期美国加州州立大学北岭分校、新加坡国立大学、美国威斯康星大学麦迪逊分校等的研究人员合作在制造工程领域排名第一的学术期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为《New era towards Autonomous Additive Manufacturing: a review of recent trends and future perspectives》的综述文章，系统性地阐述了自主增材制造(AAM)系统的关键技术架构、知识驱动、智能预测、运行验证及认知决策等前沿进展，提出了基于多源数据融合、闭环控制系统和极端环境适应等发展思路，对推动增材制造向更智能、更自主的方向发展具有重要的指导意义。

02 图文解析

在生成式人工智能时代，人工智能代理的引入为解决增材制造领域的诸多挑战带来了新的契机，包括知识碎片化、操作自主性不足以及人工干预复杂等问题。得益于大型基础模型的出现，人工智能代理具备了强大的推理能力，使其能够自主选择和运用合适的工具，并通过闭环控制实现工具优化。这一突破性进展有望解决智能增材制造中的工具使用离散化问题，全面提升控制、监控和流程的自主性水平。

图1 人工智能代理的采用与协作。

图1重点展示了利用人工智能代理的训练与协作技术，提升增材制造过程控制的核心方法。其关键在于如何将增材制造硬件与传感器数据有机结合，并针对复杂的增材制造过程实现高效协作。数字孪生、增强现实和仿真技术为代理提供了丰富的训练环境，通过物理驱动的机器学习，代理能够表征工艺-结构-性能等复杂关系，并具备泛化和迁移能力，从而适应实际增材制造中的多样化任务，例如调度优化、设计改进、人机监控与在线监测等。通过多代理的推理、执行与反馈机制，代理不仅可以在特定任务中进行本地化训练，还能实现知识共享。这种仿真与协作相结合的技术路径，使代理能够更好地应对实际增材制造过程中的复杂挑战。

03 总结与展望

图2 增材制造的未来发展方向：自主增材制造（AAM）。

本文系统性综述了人工智能在增材制造领域的应用现状，重点阐述了从智能增材制造(IAM)向自主增材制造(AAM)系统演进的发展趋势。研究表明，当前IAM系统仍存在三个主要局限：一是各个子系统相互独立，缺乏集成解决方案；二是未能有效利用现有文档和物理驱动的先验知识；三是缺乏高层次控制器，无法基于局部观察做出全局性决策。

针对这些挑战，文章提出了AAM系统框架，如图2所示。该框架由知识层、生成解决方案层、运行层和认知层四个关键层级组成。其中，知识层通过整合传感器数据、模型、仿真和先验知识来获取系统洞见；生成式解决方案层主要通过大型多模态模型和知识的结构化表示，致力于增材制造过程的学习与推理；运行层负责验证人工智能代理的性能，并探索其在不同增材制造工艺及生命周期阶段的应用潜力；认知层则作为高层控制器，赋予人工智能代理感知、推理、规划、执行和自我反思等能力。这四个层级的有机结合，最终构建成一个完整的端到端自主增材制造系统。

展望未来，AAM系统框架将通过集成人工智能驱动的认知能力与预测分析能力，在提升制造自主性、效率和适应性方面发挥重要作用。这一框架不仅能够提高产品质量、降低成本、增强柔性，更为增材制造技术的下一代发展奠定了基础。后续研究将进一步探索人工智能在推动制造技术革新中的关键作用，为实现更智能、更自主的增材制造提供新的思路和方法。

04 作者简介

来源
极端制造 l

极端制造｜下一代自主增材制造系统的未来发展方向

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北京师范大学 l 基于近红外光聚合的立体光刻3D打印技术

3DScienceValley — Mon, 24 Mar 2025 02:27:17 +0000

光聚合3D打印因其环保、节能、加工速率快、能耗小等优势，近些年备受关注，并被广泛应用于生物医学、制造业、航空航天等多个领域。现有的光聚合3D打印光源多以短波长光（如UV光）为主，然而，短波长光不利于人体健康，且穿透性受限，以致深层聚合受阻。近红外（NIR）光良好的生物安全性以及穿透能力在一定程度上可以克服上述问题，因此，开发NIR光聚合型3D打印技术是有必要的。

近期，北京师范大学化学学院邹应全教授团队首次报道了一种基于NIR光聚合的立体光刻（SLA）3D打印技术，花菁/碘鎓盐作为该3D打印配方的光引发体系；在808 nm激光光源照射下，引发体系产生活性自由基实现单体、低聚物的聚合，并成功实现了聚合物材料的制造。该研究成果以“Stereolithography 3D printing upon near-infrared photopolymerization”为题发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。邹应全教授为该论文的通讯作者，北京师范大学化学学院博士研究生何相龙为第一作者。

NIR光聚合型SLA-3D打印配方的设计思路如图1所示。花菁染料作为NIR光敏剂，对于整个配方至关重要，六种具有不同结构特征的花菁染料1aZ1X1、2aZ2X2、3aX3、4bZ3、2cZ2X3与5X4被选用于配方筛选试验。双4-甲基苯基碘鎓六氟磷酸盐（Iod）与肟酯引发剂OXE-01作为引发剂，并与花菁发生光诱导电子转移反应生成活性自由基。由于单官能度单体具有较小的体积收缩特征，五种单官能度的单体被选用于筛选实验，；四苯基硼酸钠（STPB）与三苯基膦（TPP）可分别提升配方的聚合与耐氧阻聚性能。

图1 NIR光聚合型SLA-3D打印配方的设计思路，以及用于进行配方筛选试验的花菁染料、引发剂和单体的结构式

光聚合动力学、聚合反应温度以及热稳定性测试结果表明，以花菁4bZ3为NIR光敏剂、Iod为引发剂，4-丙烯酰吗啉（ACMO）为单体，再结合其他低聚物，添加剂的3D打印配方具有较好的聚合性能、较低的聚合温度以及良好的热稳定性；该配方被选用于实际的打印实验。图2（a）展示了所定制的3D打印设备的实物图。3D打印配方的聚合机理如图2（b）所示，在NIR光源诱导下，4bZ3与Iod可发生电子转移反应生成对甲基苯自由基，其能够引发单体与低聚物固化，从而实现打印。图2（c）展示了通过NIR光聚合型SLA-3D打印机制造的产品，它们相比于3D模型具有较高的保真度，证明了该打印策略的可行性。

图2（a）定制的3D打印设备的实物展示图；（b）3D打印配方的聚合机理；（c）所打印的舵机转盘、玫瑰以及拉伸杆的展示图

通过近红外成像仪监测了拉伸杆打印过程中的温度变化情况，如图3（a，b）所示；打印支撑结构与产物结构时，曝光区域所能达到的最高温度分别为50.9 ℃与76.0 ℃，均低于打印配方的起始热分解温度99.7 ℃；且打印结束后，未曝光区液面的温度为34.7 ℃，拉伸杆表面的温度为41.3 ℃，这些温度表明打印过程是热稳定的。

图3 拉伸杆打印过程中曝光区温度变化曲线，（a）加工16层支撑结构，（b）加工7层产物结构；拉伸杆打印结束后非曝光区的（c）液面温度以及（d）拉伸杆表面温度

传统的UV或近紫外光聚合型3D技术在制备含有色填料的聚合物具有一定挑战，因为有色填料与传统的短波长吸收光引发剂之间在光吸收上存在竞争关系，进而阻碍光聚合，而NIR光聚合型3D打印则是制备有色尤其是黑色聚合物的有效方法之一，因为大部分的有色填料在近红外光区吸收较弱。图4展示了通过含苝、罗丹明B、花菁S0957、螺吡喃衍生物SP、碳黑（CB）等有色填料的3D打印配方所制造的有色聚合物以及光致变色聚合物示意图。有机染料苝、罗丹明B与花菁S0957在可见光区具有优异的吸收能力，CB几乎吸收从UV至NIR所有的光，但它们仍难以对NIR花菁4bZ3的吸收产生较大吸收影响，基于此成功制备不同颜色的小船、睡莲与小桥。此外，CB还可作为光吸收剂，将打印误差降低至0.1 mm左右。添加螺吡喃衍生物SP至配方中可成功打印出具有光致变色性质的刺激响应聚合物，能够在580 nm与365 nm光源照射下实现黄色与紫色的变化。

图4通过含苝、罗丹明B、花菁S0957、螺吡喃衍生物SP、碳黑（CB）等有色填料的3D打印配方所制造的有色聚合物以及光致变色聚合物示意图

该团队的研究为NIR光聚合型3D打印提供了可行的策略，有助于NIR光聚合技术与3D打印技术的发展。此外，该研究为通过3D打印制造有色聚合物、以及光致变色聚合物给出了一种实施途径，拓展了NIR光聚合技术的应用性，特别是在制备有色聚合物（尤其是黑色聚合物），和刺激响应聚合物方面具有实际的应用前景。该研究由湖北固润科技股份有限公司提供资金支持。

北京师范大学邹应全教授课题组长期致力于光聚合领域的相关研究（Macromolecules 2024 57, 3148-3159；Angew. Chem. Int. Ed. 2020，59，11440-11447；Mater. Des. 2022，213，110370；ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022，14，48976-48985；ACS Appl. Mater. Interfaces. 2024，16，30344-30354；Adv. Mater. Technol. 2023，2201939；, Eur. Polym. J. 2024，211，113025），旨在开发多种类型的光引发剂及光引发体系，并推动光聚合技术在光刻胶、3D打印等领域的应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160857

来源
高分子科技 l

北京师范大学邹应全教授团队 CEJ：基于近红外光聚合的立体光刻3D打印技术

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技术自证与性能跃升！看铂力特用金属3D打印制造3D打印机！

3DScienceValley — Fri, 21 Mar 2025 01:19:41 +0000

近年来，越来越多的工业场景使用金属3D打印技术，从研发验证向批量化生产发展，金属3D打印已不单单是应对技术难题的“救命稻草”，而是推动产品迭代创新、提升品质、降低成本的重要技术手段；掌握金属3D打印技术并实现深度应用，正成为制造企业构建差异化竞争优势的关键因素。“大生产时代”的远景正一步步变为现实。

多年以来，铂力特始终通过整合自身设计、材料、工艺及装备制造等经验，发挥各专业方向的协同力量，构建完整技术链条，致力于推进金属3D打印技术在工业制造场景的产业化落地，为千万家工厂开辟了兼顾技术性与经济性的创新思路。

截止到目前，BLT品牌的各型号金属3D打印机中，已经有功能类、接头类、支座类总计十余种3D打印件零部件，由铂力特设计、使用3D打印生产。零部件类型遍及Z轴、成形室、风路、水路等核心子系统。TCT Asia 2025上，铂力特在现场展示了其中的部分创新产品。

2025 TCT Asia 展出BLT-S400系列设备主机机架

01 重构零部件设计——设备精工品质，一致性、稳定性的保障

目前市面上的工业机械装备的零部件基本采用标准化的设计和规格，想要研制更高质量的产品或达到更定制化的设计，产品研制往往需要较长的周期。金属3D打印技术则可以实现多型结构一体化成形，为产品带来更好的质量和性能。

以成形缸为例，传统成形缸采用拼接结构，强度、热稳定性都会受到影响，铂力特使用BLT-W系列设备（WAAM工艺）一体化制造成形缸，可以实现缸体整体成形并强化局部结构，提升打印可靠性和批量一致性。

2025 TCT Asia 展出BLT-W系列设备制造的成形缸

在铺粉过程中，定量供粉系统是保障打印质量与稳定性的核心模块，其中落粉器基座可以支撑落粉轴转动，实现定量供粉。传统零件通常采用焊接工艺、组合制造该部件，设备长期运作容易影响落粉器的对位精度，且粉末残留清理难度高，维护成本高昂。铂力特设计、打印的落粉器基座，优化了传统零件的结构、兼具集成化和轻量化，减重60％的同时提高了供粉系统长时间运行的稳定性，维护成本和零件制造周期也进一步优化。

刮刀运动组件对打印件的尺寸精度起到关键性作用，刮刀连接板作为连接刮刀架与滑块的零部件，用于实现刮刀平稳运动。铂力特的轻量化设计，让传统零件减重20％，减少了刮刀组件运动过程的惯性，使设备铺粉时的精度更可控、效率再提升。

此外，铂力特改进的水路接头让循环冷却系统均匀性、稳定性大幅提升，相机支座打印件在监控系统运行稳定性提升上效果显著。

金属3D打印技术也为设备部件的外观定制提供了创新思路，可以在性能效能提升或保持不变的前提下生产具备个性化设计的零部件，彰显品牌形象。现场展出的铰链部件就是一例成功的尝试，在保障原有的支撑成形室门开合功能的基础上，增添了外观的美化设计，通过增材制造改进了外观效果。

传统铰链部件（上）和铂力特改良铰链部件（下）

02 金属3D打印产业生态链赋能千行百业

经济成本、产品良率、生产效率一直是工业制造的工艺路线的核心考虑点，质量和效率是推动大规模工业生产不断进步、成熟的永恒命题。金属3D打印技术不仅在机器人、民航、低空领域、新能源等产业大有作为，在装备制造、工业五金等方面，也能提供更优性能、成本可控的高质量制造方案。

通过金属3D打印技术重构常见的零部件设计，企业可快速响应市场需求，实现产品的迭代创新、降本提质增效。通过“重构—优化—再造”的循环，突破传统供应链限制，实现从标准化到柔性化生产的跨越；这不仅是技术闭环，更是生态变革的起点。

让制造更简单，让世界更美好，铂力特自成立以来，始终秉承“做得出，用得起”的理念，不断通过软硬件协同、工艺创新，通过不断完善产业配套能力，不断为各行各业提供更经济、更具创新价值的解决方案；未来也将与广大工业用户携手“换道赛车”，助推国家新型工业化建设，让金属增材制造技术赋能千行百业。

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