NASA 3D打印铜合金燃烧室和高强度耐氢合金火箭发动机零件通过23次热火测试

| 3DScienceValley · 2020/12/16

根据3D科学谷的市场观察，NASA于2020年12月9日发布官方声明，

其3D打印铜合金燃烧室和高强度耐氢合金火箭发动机零件通过了23次热火测试。

NASA

极端测试通往下一步飞行任务

混合增材制造与新材料技术的成功

过2020年11月的一系列热火试验，NASA证明了两个增材制造的发动机部件-铜合金燃烧室和由高强度耐氢合金制成的喷管-可以承受在飞行中传统制造的金属结构所经历的相同极端燃烧环境。

根据位于阿拉巴马州汉斯维尔的NASA马歇尔太空飞行中心，在减少总的硬件制造时间和成本方面，3D打印技术将改变游戏规则，而NASA目前进行的这些热火测试是为将来的月球和火星飞行任务准备做准备的关键步骤。

测试团队在10个测试天中执行了23个热火测试，根据3D科学谷的了解，总持续时间为280秒。在整个测试过程中，工程师收集了各种数据，包括冷却通道和主腔室中的压力和温度测量值，以及排气羽流和腔室喉道的高速和高分辨率视频。研究小组还计算了舱室的性能以及发动机整体使用推进剂的效率。

NASA制造火箭推力室的燃烧室所用的铜合金GRCop-42作为具有更高导电性的高强度合金而得到了应用，铜合金由于其高导热性而被期望用于腔室衬里，这带来高效的壁冷却以将腔室热壁保持在高强度温度区域中。根据3D科学谷的了解，NASA开发了生产封闭壁铜合金衬里的能力，使复合材料成为腔室护套作为可行且理想的选择。

根据3D科学谷的了解，NASA通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜腔室的后端沉积双金属材料，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。

高强度铁镍超合金喷管是使用一种称为DED激光粉末定向能量沉积的方法进行3D打印的，该方法可将金属粉末局部沉积并熔化以形成自由形式的结构。这种方法使工程师能够制造小型和大型组件。3D科学谷在此前发布的《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》一文中，曾提到DED定向能量沉积3D打印技术用来制造推力室喷管的优势在于沉积速率和可扩展性。

根据3D科学谷的了解，NASA与行业合作伙伴共同开发了薄壁通道的设计。在图中可以看到DED定向能量沉积3D打印技术加工的一些通道示例。这些通道演示了可能的设计选项，各种加工路径策略以及确定的过程几何形状限制。

NASA

这些测试是美国宇航局长寿命增材制造组装（LLAMA）项目的一部分，该项目旨在使这些3D打印零件以及其他增材制造的硬件能够在未来的月球着陆器上使用。

该团队将进行其他热火测试，以进一步证明和验证发动机部件的耐用性。马歇尔太空飞行中心领导了NASA的“太空改变任务”计划中的LLAMA项目，该项目是NASA的“改变游戏发展”计划的一部分。

3D科学谷Review

从3D打印火箭到3D打印漫游车，NASA在将3D打印应用到航天领域正处在厚积薄发的加速跑阶段。根据3D科学谷的市场观察，NASA在航天领域所开发的核心关键技术包括：铜合金的GRCop-84的基于粉末床的选区激光熔化（L-PBF）金属3D打印技术，双金属腔室的工艺开发，通过DED定向能量沉积增材制造技术来制造带冷却流道的火箭推力室喷管，用于火箭推力室的喷注器和其他组件的新型增材制造材料，即NASA HR-1。

在推力室的增材制造方面，根据3D科学谷的了解，目前NASA在2K-lbf推力的推力室上完成了双金属开发，并正在积极地应用到7K-lbf，40K-lbf的推力室制造。

NASA还计划将其恒心漫游车于2021年2月18日降落在火星上，而值得注意的是，11个3D打印制成的金属零件将随着恒心漫游车开启火星漫步，这将是一个3D打印历史上的里程碑。

不过3D打印还需要跟其他工艺相结合，正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书所提到的，“3D 打印并非是一座孤岛，而必须与其他传统制造工艺相融合，才能成为创造制造业附加值的“利器”。3D打印只是制造的一环，将与其他工艺充分融合在一起，无缝衔接在制造流程环节中，将是3D打印进入制造业产业化的主旋律。”

根据3D科学谷的了解为了避免3D打印过程中产生削弱材料强度的孔隙或裂纹。在3D打印完成后，需要将零件放在热等静压设备中进行处理，将零件加热到1,832华氏度（1,000摄氏度）以上，并在零件周围均匀施加强压力。最后，工程师需要进行大量的机械测试，以检查换热器的微观结构，并确保它们适用于太空飞行。

更多信息，请参考3D科学谷发布的《3D打印与航天制造业白皮书》，《3D打印高温合金白皮书》

l AMPOWER与3D科学谷正在合作面向全球欧洲、美洲、亚洲市场发布的2020年全球增材制造研发市场报告，欢迎中国企业积极参于有关3D打印领域设备、软件、材料的研发市场调查，敬请关注3D科学谷扫码参与调研。