零件数量减少了 10 倍以上，NASA火箭发动机的多合金和多工艺增材制造

| 3DScienceValley · 2023/02/07

AM-增材制造在火箭推进应用方面的前景正在整个航空航天工业中得到证明，3D打印用于火箭关键部件的制造，并使复杂设计成为可能，这在以前是不可能的。本期，与谷友一起领略NASA火箭发动机的多合金和多工艺增材制造的个中千秋。

NASA在 RAMPT 项目开发的多合金和多工艺增材制造推力室
© NASA

增材制造带来的直接益处包括用于减少零件数量、优化重量并允许更复杂的零件几何形状。从而显着降低了制造组件成本和交货时间。增材制造还可以实现更快的设计迭代周期，以便在投入生产之前开发和测试早期原型。

火箭发动机运行在严酷的环境中，大量的设计迭代、复杂的制造和组件集成对于液体火箭发动机的热火测试是必不可少的。尽管复杂且具有挑战性，但火箭发动机的设计过程通常不会出现重大问题。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项目探索了各种金属增材制造工艺，以实现多合金部件，包括粉末床熔融、定向能量沉积和冷喷涂。

根据《深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件》一文，NASA的“快速分析和制造推进技术”（RAMPT）项目的三个主要目标是：1）推进定向能量沉积（DED）技术以制造带整体复杂内流道的大型燃烧室和喷嘴；2）开发复合外包装技术以减轻重量并为推力室组件提供结构能力；3）开发双金属和多金属增材制造的径向和轴向接头，以优化材料性能。除了这些主要的制造开发之外，RAMPT项目中的分析建模工作还补充了过程开发和模拟AM增材制造过程，以减少构建失败和变形的发生。

液体火箭发动机的燃烧室和喷嘴通常采用多种金属增材制造工艺中的一种，由单一合金制成。RAMPT 项目探索了新的研究，以创造新合金、多合金 AM-增材制造组件，并结合多种金属 AM-增材制造工艺以进一步优化设计。这一理念还促使团队将新颖的增材制造设计与其他先进的制造复合外包装技术相结合，以进一步减轻重量。

喷管

根据《NASA划时代的旋转爆震火箭发动机，如何化解极端要求下的三大技术挑战？》一文，燃烧室与喷管集成的关键技术挑战之一是开发双金属增材制造，双金属的开发集中在铜合金（特别是GRCop-42或GRCop-84）和高温合金的耦合上。双金属的开发集中在径向沉积上，第二个方面是燃烧室和喷管之间的轴向接头。轴向沉积发展的主要目标是表征和定义适当的界面所需的材料。

NASA火箭发动机推力室组件及复合外包装
© NASA

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) 增材制造工艺，制造了直径超过1 米的复杂薄壁内部通道几何形状的喷管。在短短 90 天内，RAMPT 项目打印出了 NASA 利用 LP-DED 激光粉末定向能量沉积3D打印工艺生产的最大增材制造喷嘴之一，其中包括 1,000 多个内部通道，直径为 1.5 m，高度为 1.8 m。RAMPT 项目还开发了全尺寸 RS-25 火箭发动机喷嘴衬里，其直径为 2.4 m，高度为 2.8 m。

图: 大型定向能沉积喷管（左）使用 NASA HR-1 合金 [NASA / RPMI] 制造的 1.5 m 直径和 1.8 m 高度整体通道喷管。（右）使用JBK-75 合金 (NASA / DM3D) 的 2.4 m 直径和 2.8 m 高度的喷管衬里。
© NASA

DED定向能量沉积增材制造技术，允许整个推力室总成（TCA）在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道，从而无需进行封闭操作，这样的好处是明显的，不仅可以显着减少零件和焊接操作，并使得整个推力室总成（TCA）更加可多次利用。通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜燃烧室腔室的后端沉积NASA HR-1 合金，无需螺栓连接，形成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管，并实现连续冷却，从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题，随后通过碳纤维聚合物基复合材料（PMC）外包装将整个推力室总成（TCA）进行外包装。

成熟的 LP-DED激光粉末定向能量沉积和冷喷涂工艺可以沉积一种名为 NASA HR-1 的高强度、耐氢超级合金。过渡层使用增材制造镍或铜镍合金构建，为复杂的环境负载和材料兼容性提供坚固的双金属接头。

创建健康的供应链

NASA 已经对各种 AM-增采制造部件和系统进行了超过 100,000 秒的热火测试。这种经验帮助 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 项目研发的技术，在 NASA 的马歇尔太空飞行中心 (MSFC) 115 试验台进行了2,000lbf (8.9 kN) 和 7,000 lbf (31 kN) 集成推力室热火测试。

还在 35,000 lbf (156 kN) 下进行了螺栓连接的推力室测试，以获得有关 L-PBF粉末床激光熔融金属3D打印的GRCop-42铜合金燃烧室室和 LP-DED激光粉末定向能量沉积3D打印的NASA HR-1合金带整体内通道的喷管的数据比较。该测试证明了AM -增材制造多合金、组合 AM-增材制造工艺和复合外包装的可行性。未来的测试将包括在腔室压力超过 1,400 psi (97 bar) 时完全耦合的 40,000 lbf (178 kN)集成推力室热火测试。

总体来说，RAMPT 项目利用多合金、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、制造和装配的产品开发周期缩短了 50% 以上。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的供应商参与进来，并通过公私合作伙伴关系促进技术向商业行业的注入，以创建健康的供应链，RAMPT 项目下产成的所有数据都可供行业合作伙伴使用。

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