Aerojet Rocketdyne 3D打印銅合金推力室，點(diǎn)火測(cè)試成功！

RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)Aerojet Rocketdyne研制的液氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，從上世紀(jì)60年代開(kāi)始服役以來(lái)，已有475個(gè)RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將火箭送入太空。多年以來(lái)，Aerojet Rocketdyne一直在改進(jìn)RL10發(fā)動(dòng)機(jī)，他們?cè)谠O(shè)計(jì)和制造工藝上尋求突破，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、減少制造成本和周期。

增材制造技術(shù)正是Aerojet Rocketdyne 優(yōu)化RL10發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)“殺手锏”，在新一代RL10發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，Aerojet Rocketdyne 使用粉末床選擇性激光熔化3D打印技術(shù)制造了銅合金推力室部件。這個(gè)3D打印部件最近通過(guò)了美國(guó)Defense Production Act Title III項(xiàng)目管理辦公室進(jìn)行的點(diǎn)火測(cè)試。

突破銅合金3D打印的難點(diǎn)

最近十年以來(lái)，Aerojet Rocketdyne 積極的在RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和其他航天系統(tǒng)中應(yīng)用增材制造技術(shù)，如AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的3D打印噴射器和MPS-120 CubeSat衛(wèi)星中的模塊化推進(jìn)系統(tǒng)，Aerojet Rocketdyne 希望通過(guò)增材制造技術(shù)航天零部件的設(shè)計(jì)自由度和性能。

近期通過(guò)測(cè)試的3D打印銅合金推力室部件是全尺寸的，Aerojet Rocketdyne增材制造項(xiàng)目經(jīng)理Jeff Haynes表示這是目前最大的3D打印銅合金推力室部件。

銅是一種導(dǎo)熱性和反射性極佳的材料，這一屬性也使選擇性激光熔化 3D打印銅合金粉末充滿了挑戰(zhàn)。銅金屬在激光熔化的過(guò)程吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制。Aerojet Rocketdyne在銅合金推力室3D打印領(lǐng)域取得成功，為制造新一代RL10發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)了可能性。

3D打印銅合金推力室部件將替代目前的RL10C-1推力室部件。目前的推力室是由傳統(tǒng)工藝制造的，由液壓成形的不銹鋼管等多個(gè)零件焊接而成。3D打印的銅合金推力室部件則由兩個(gè)銅合金零件構(gòu)成。相比傳統(tǒng)的制造工藝，選擇性激光熔化3D打印技術(shù)為推力室的設(shè)計(jì)帶來(lái)了更高的自由度，使設(shè)計(jì)師可以嘗試具有更高熱傳導(dǎo)能力的先進(jìn)結(jié)構(gòu)。而增強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力使得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)更加緊湊和輕量化，這正是火箭發(fā)射技術(shù)所需要的。

在另一方面，Aerojet Rocketdyne表示，通過(guò)選擇性激光熔化 3D打印技術(shù)制造優(yōu)化升級(jí)的推力室部件，制造周期為1個(gè)月，比以往的制造周期縮短了數(shù)月。由于根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，Aerojet Rocketdyne 降低了制造過(guò)程的復(fù)雜性，并且獲得了更低的制造成本。

NASA 3D打印的銅合金燃燒室部件

3D打印銅合金零部件是航空制造業(yè)所重視的領(lǐng)域。根據(jù)通項(xiàng)的市場(chǎng)研究，美國(guó)航天局NASA 在銅質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯3D打印方面也取得了突破，打印材料為GRCo-84銅合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種銅合金，打印工藝也是選擇性激光熔化。燃燒室襯里的3D打印總共為8255層，僅這一個(gè)部件打印時(shí)間為10天零18個(gè)小時(shí)。這個(gè)銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個(gè)復(fù)雜的通道，制造這些微小的、具有復(fù)雜幾何形狀的內(nèi)部通道，即使對(duì)增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)也是一大挑戰(zhàn)。在國(guó)內(nèi)，西安鉑力特已研制出針對(duì)難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬的3D打印工藝，突破了銅材料的激光成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。