零件數量減少了10倍以上，NASA火箭發動機的多合金和多工藝增材制造
AM-增材制造在火箭推進應用方面的前景正在整個航空航天工業中得到證明，3D打印用于火箭關鍵部件的制造，并使復雜設計成為可能，這在以前是不可能的。本期，3D科學谷與谷友一起領略NASA火箭發動機的多合金和多工藝增材制造的個中千秋。
NASA在 RAMPT 項目開發的多合金和多工藝增材制造推力室
© NASA
增材制造帶來的直接益處包括用于減少零件數量、優化重量并允許更復雜的零件幾何形狀。 從而顯著降低了制造組件成本和交貨時間。 增材制造還可以實現更快的設計迭代周期，以便在投入生產之前開發和測試早期原型。
火箭發動機運行在嚴酷的環境中，大量的設計迭代、復雜的制造和組件集成對于液體火箭發動機的熱火測試是必不可少的。盡管復雜且具有挑戰性，但火箭發動機的設計過程通常不會出現重大問題。高風險和高回報開發的一個例子是 NASA 的改變游戲規則的開發“快速分析和制造推進技術” (RAMPT) 項目。RAMPT項目探索了各種金屬增材制造工藝，以實現多合金部件，包括粉末床熔融、定向能量沉積和冷噴涂。
© 3D科學谷白皮書
根據3D科學谷《深度剖析NASA采用多合金增材制造和復合材料實現輕質可重復使用的推力室組件》一文，NASA的“快速分析和制造推進技術”（RAMPT）項目的三個主要目標是：1）推進定向能量沉積（DED）技術以制造帶整體復雜內流道的大型燃燒室和噴嘴；2）開發復合外包裝技術以減輕重量并為推力室組件提供結構能力；3）開發雙金屬和多金屬增材制造的徑向和軸向接頭，以優化材料性能。除了這些主要的制造開發之外，RAMPT項目中的分析建模工作還補充了過程開發和模擬AM增材制造過程，以減少構建失敗和變形的發生。
液體火箭發動機的燃燒室和噴嘴通常采用多種金屬增材制造工藝中的一種，由單一合金制成。RAMPT 項目探索了新的研究，以創造新合金、多合金 AM-增材制造 組件，并結合多種金屬 AM-增材制造工藝以進一步優化設計。這一理念還促使團隊將新穎的增材制造設計與其他先進的制造復合外包裝技術相結合，以進一步減輕重量。
噴管
根據3D科學谷《NASA劃時代的旋轉爆震火箭發動機，如何化解極端要求下的三大技術挑戰？》一文，燃燒室與噴管集成的關鍵技術挑戰之一是開發雙金屬增材制造，雙金屬的開發集中在銅合金（特別是GRCop-42或GRCop-84）和高溫合金的耦合上。雙金屬的開發集中在徑向沉積上，第二個方面是燃燒室和噴管之間的軸向接頭。軸向沉積發展的主要目標是表征和定義適當的界面所需的材料。
NASA火箭發動機推力室組件及復合外包裝
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NASA 與行業合作伙伴共同推進了激光粉末定向能量沉積 (LP-DED) 增材制造工藝，制造了直徑超過1 米的復雜薄壁內部通道幾何形狀的噴管。在短短 90 天內，RAMPT 項目打印出了 NASA 利用 LP-DED 激光粉末定向能量沉積3D打印工藝生產的最大增材制造噴嘴之一，其中包括 1,000 多個內部通道，直徑為 1.5 m，高度為 1.8 m。RAMPT 項目還開發了全尺寸 RS-25 火箭發動機噴嘴襯里，其直徑為 2.4 m，高度為 2.8 m。
圖: 大型定向能沉積噴管（左）使用 NASA HR-1 合金 [NASA / RPMI] 制造的 1.5 m 直徑和 1.8 m 高度整體通道噴管。（右）使用JBK-75 合金 (NASA / DM3D) 的 2.4 m 直徑和 2.8 m 高度的噴管襯里。
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DED定向能量沉積增材制造技術，允許整個推力室總成（TCA）在火箭推力室噴管的制造過程中一次性形成所有的內部冷卻通道，從而無需進行封閉操作，這樣的好處是明顯的，不僅可以顯著減少零件和焊接操作，并使得整個推力室總成（TCA）更加可多次利用。通過DED定向能量沉積增材制造工藝在GRCop-42銅燃燒室腔室的后端沉積NASA HR-1 合金，無需螺栓連接，形成帶雙金屬軸向接頭的火箭推力室噴管，并實現連續冷卻，從而解決了一些設計挑戰和螺栓連接設計的接口問題，隨后通過碳纖維聚合物基復合材料（PMC）外包裝將整個推力室總成（TCA）進行外包裝。
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成熟的 LP-DED激光粉末定向能量沉積和冷噴涂工藝可以沉積一種名為 NASA HR-1 的高強度、耐氫超級合金。過渡層使用增材制造鎳或銅鎳合金構建，為復雜的環境負載和材料兼容性提供堅固的雙金屬接頭。
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創建健康的供應鏈
NASA 已經對各種 AM-增采制造部件和系統進行了超過 100,000 秒的熱火測試。這種經驗幫助 NASA 了解增材制造的許多挑戰和局限性，并幫助建立增材制造組件的認證標準。為了進一步推進 RAMPT 項目研發的技術，在 NASA 的馬歇爾太空飛行中心 (MSFC) 115 試驗臺進行了2,000lbf (8.9 kN) 和 7,000 lbf (31 kN) 集成推力室熱火測試。
還在 35,000 lbf (156 kN) 下進行了螺栓連接的推力室測試，以獲得有關 L-PBF粉末床激光熔融金屬3D打印的GRCop-42銅合金燃燒室室和 LP-DED激光粉末定向能量沉積3D打印的NASA HR-1合金帶整體內通道的噴管的數據比較。該測試證明了AM -增材制造多合金、組合 AM-增材制造工藝和復合外包裝的可行性。未來的測試將包括在腔室壓力超過 1,400 psi (97 bar) 時完全耦合的 40,000 lbf (178 kN)集成推力室熱火測試。
總體來說，RAMPT 項目利用多合金、組合增材制造工藝方法以及復雜的復合材料應用和先進的增材制造模擬能力來開發大型再生冷卻液體火箭發動機技術。RAMPT 項目將設計、分析、制造和裝配的產品開發周期縮短了 50% 以上。還將零件數量減少了 10 倍以上，重量減輕了 30% 以上，并提高了可靠性。
RAMPT 的其他成就包括讓制造業的供應商參與進來，并通過公私合作伙伴關系促進技術向商業行業的注入，以創建健康的供應鏈，RAMPT 項目下產成的所有數據都可供行業合作伙伴使用。
(責任編輯：admin)
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