NASA长寿命增材制造装配 (LLAMA)项目从故障中吸取的教训

液体火箭发动机硬件组件的采购和制造可能需要数月时间,在某些情况下甚至需要一年多的时间。NASA的一个名为长寿命增材制造组件 (LLAMA) 项目正在测试用于制造液体火箭发动机部件的3D打印方法,与传统制造方法相比,这种方法可以节省大量时间和金钱。与传统工艺相比,LLAMA 采用的先进制造方法可以将火箭发动机喷管生产所需的时间缩短一半以上。它还显着减少了零件数量,因为需要单独制造然后组装的零件更少。

不过增材制造目前在工艺的稳定性方面还存在一定的风险,NASA长寿命增材制造组件 (LLAMA) 项目还强调了增材制造认证方法。

Nasa_LLAMA粉末定向能量沉积构建的喷嘴
© NASA

block 性能更强

燃烧室和喷嘴是构成火箭发动机的两个主要部件,在液体火箭发动机中,燃料和氧化剂在燃烧室内混合并燃烧。这种燃烧产生热废气,通过喷嘴加速流动并产生推力。

valley_Rocket© 3D科学谷白皮书

3D科学谷了解到LLAMA项目正在测试3D打印的铜合金燃烧室、两个复合喷嘴和一个高强度金属合金喷嘴的热火测试性能。

Nasa_LLAMA_HandwareLLAMA项目下制造的零件
© NASA

在LLAMA项目下进行热火测试的复合喷嘴可以承受比传统金属喷嘴更高的温度,这意味着它们的性能更强。测试展示了复合喷嘴的可行性以及增材制造腔室与这些喷嘴之间的复杂界面的可行性

高强度材料使得增材制造的火箭发动机可重复使用,从而可以显着降低火箭发动机的生产时间,进一步降低航天器和发射任务的成本。

在LLAMA项目下进行热火测试类型是推进这些新型制造工艺以供未来广泛使用的关键步骤。为了大规模实施NASA这些先进的制造方法,NASA需要展示从金属粉末材料到成品的每一步的可靠性和成功性能。

Nasa_LLAMA_Part© NASA

LLAMA项目的铜燃烧室采用先进的铜铬铌合金或 GRCop-42 增材制造,该合金是由位于克利夫兰的 NASA 格伦研究中心开发。这种材料使腔室能够承受多次燃烧,具有出色的导热性能,并在暴露于灼热环境时保持其强度。与传统火箭发动机室相比,新设计和快速生产的燃烧室显着减少了零件和接头的数量,潜在地提高了可靠性。

Valley_Aero_Material© 3D科学谷白皮书

在 LLAMA项目下测试的高强度铁镍合金喷嘴是使用激光粉末定向能量沉积打印的,通过沉积并熔化金属粉末以形成自由形式的结构。

正如 NASA 的RAMPT项目所证明的那样,这种方法允许进行高通量的增材制造。额外的两个复合喷嘴延伸件是使用碳纤维增强材料制成的,此外,喷嘴延伸部分涂有陶瓷材料,也可以承受极端温度。

Nasa_LLAMA_Part_2© NASA

在每个测试系列中,发动机被热点火 25 次或更多次,燃烧气体接近 6000 华氏度。这些耐久性测试有助于确定增材制造的燃烧室和喷嘴是否能够承受极端温度以及结构和动态载荷。硬件需要能够承受这些条件,以便进行多次发射。

Nasa_LLAMA_RocketLLAMA项目下制造的零件
© NASA

LLAMA项目下使用的先进材料与商业供应链相结合,可以帮助此类增材制造技术融入NASA的其他各种任务以及航空航天工业的发动机和着陆器制造。LLAMA项目的测试数据可以帮助工程师定制不太复杂的硬件设计,从而使未来的任务更安全、更便宜。

block 颇为关键的认证

自2000年代以来,NASA 一直从事增材制造工艺和组件开发。AM-增材制造工艺提供了各种技术优势,例如可以实现带内部冷却通道的复杂零件设计、将多个零件整合为一个零件的结构一体化设计、新型合金的加工,以及减少加工时间和成本的优势。

valley_Case_156© 3D科学谷白皮书

NASA的大部分增材制造开发的重点是使各种工艺走向成熟、表征材料特性、制定标准、生产演示部件以及将增材制造硬件集成到液体火箭发动机中。

NASA已经通过有条不紊的表征、测试-失败-修复周期以及吸取经验教训的过程和设计迭代得到证明:除了增材制造工艺和硬件开发的这些基本演示之外,NASA开发的合金在高温和高压环境中提供的性能优势已经达到成熟水平,可用于火箭发动机的商业化制造。

这些环境对任何合金和任何设计都具有挑战性,并且需要AM-增材制造工艺的稳定性才能完全满足预期的设计要求。测试过程中意外的组件故障强调了稳健的材料表征和严格的过程控制程序的必要性,以便在关键应用中安全使用AM-增材制造组件。

在某种程度上,这种对于意外的担忧促使 NASA最近在 NASA-STD-6030“航天系统的增材制造要求”中强调了增材制造认证方法。例如在一次失败的测试中,NASA在来自腔室的微拉伸试样中观察到颗粒状表面、未熔化的颗粒和不规则的孔隙,HIP热等静压并没有完全消除这些缺陷。

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