科研人員利用3D打印技術(shù)打造液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推動(dòng)高級太空應(yīng)用

2023年6月28日，南極熊獲悉，一群就讀于圣地亞哥州立大學(xué) (SDSU)的工程專業(yè)學(xué)生正在開發(fā)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，他們的目標(biāo)是將其發(fā)射到被公認(rèn)為太空邊界的卡門線。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們選擇了SLM Solutions的雙激光SLM 280 2.0金屬增材制造系統(tǒng)，并采用Inconel 718材料進(jìn)行制造。

△3D打印液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件，將一百多個(gè)零件整合為五個(gè)

SLM Solutions的專業(yè)團(tuán)隊(duì)在開發(fā)過程中提供了指導(dǎo)，成功將發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件數(shù)量從100多個(gè)精簡至僅有五個(gè)。這一創(chuàng)新產(chǎn)品將在密歇根州威克瑟姆的SLM北美應(yīng)用中心進(jìn)行制造，并在俄亥俄州的Quintus Technologies應(yīng)用中心進(jìn)行熱等靜壓（HIP）處理，并通過Avonix Imaging進(jìn)行CT掃描以進(jìn)行質(zhì)量測試。

據(jù)悉，發(fā)動(dòng)機(jī)的制作過程已經(jīng)進(jìn)行了約一年時(shí)間，其中涉及大量的設(shè)計(jì)審查、原型制作和測試程序。目標(biāo)是打造一個(gè)由兩部分外罩、兩部分內(nèi)襯和噴油器組成的最佳發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。這些零部件采用Inconel 718粉末在氬氣環(huán)境中進(jìn)行30微米厚度的3D打印，并在1066°C的氬氣環(huán)境中進(jìn)行1.5小時(shí)的脫粉和應(yīng)力消除。最后，采用線切割技術(shù)將零部件與構(gòu)建板分離。

△采用Inconel 718 3D打印的火箭室

復(fù)雜幾何形狀和鏤空結(jié)構(gòu)的部件

在整個(gè)項(xiàng)目中，3D打印制造技術(shù)使團(tuán)隊(duì)能夠快速原型化設(shè)計(jì)理念，并制造出具有復(fù)雜幾何形狀和鏤空結(jié)構(gòu)的部件。所有這些優(yōu)勢使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以更輕的重量滿足性能規(guī)格。然而，采用該技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)。

在對金屬粉末床熔融打印工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)材料中的晶粒不是均勻的等軸晶粒，而是呈柱狀沿著構(gòu)建方向生長。

晶粒的尺寸對金屬材料的機(jī)械性能非常重要，因?yàn)榛魻?佩奇方程表明在室溫下，屈服應(yīng)力與晶粒平均直徑的平方根成反比。因此，晶粒越小，材料越強(qiáng)韌。然而，這種晶粒生長導(dǎo)致材料的機(jī)械性能在不同方向上有所差異，因此團(tuán)隊(duì)必須采取措施來減少金屬缺陷并提高抗疲勞性能。

當(dāng)金屬暴露在高于再結(jié)晶溫度的溫度下時(shí)，晶粒尺寸會(huì)增大。溫度越高，暴露時(shí)間越長，晶粒生長得越多。通常，Inconel 718材料的熱等靜壓（HIP）處理溫度為1163-1200°C，處理時(shí)間為4小時(shí)。然而，一些研究表明這些參數(shù)會(huì)導(dǎo)致晶粒大量生長，并對疲勞性能產(chǎn)生不利影響。

△SLM 280 2.0金屬3D打印制造系統(tǒng)

研究結(jié)論

通過降低溫度或暴露時(shí)間，可以解決增材制造材料中晶粒生長的問題。Quintus Technologies與瑞典西大學(xué)的合作研究表明，在比傳統(tǒng)溫度更低的條件下進(jìn)行熱等靜壓（HIP）處理可以消除缺陷并最大限度地減少晶粒粗化。

他們在1120°C至1185°C的極端條件下測試了Inconel 718樣品的HIP處理，結(jié)果顯示在這個(gè)溫度范圍內(nèi)孔隙消除效果良好，較低溫度下孔隙率從0.15 vol.%降低至0.01-0.02 vol.%。此外，1185°C下的粉末床熔合樣品顯示明顯的晶粒生長，而1120°C下的熱等靜壓處理使晶粒明顯更細(xì)。進(jìn)一步測試還表明，將1120°C的HIP處理與固溶處理和縮短的兩步時(shí)效工藝相結(jié)合，甚至可以減小晶粒尺寸。

△HIP技術(shù)徹底改變了航空航天和醫(yī)療植入物行業(yè)的3D生產(chǎn)

最終縮短處理時(shí)間和提高生產(chǎn)效率

Quintus Technologies利用增材制造中的Inconel 718的熱等靜壓（HIP）知識，正在應(yīng)用優(yōu)化的HIP循環(huán)來實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的均勻化，并最大限度地減少晶粒生長，同時(shí)追求完全致密的結(jié)構(gòu)。他們在Quintus應(yīng)用中心對火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的較小3D打印組件進(jìn)行HIP處理，采用溫度為1120°C、壓力為100MPa的浸泡，持續(xù)處理四個(gè)小時(shí)。該循環(huán)還利用URC（Ultra-Rapid Cooling）功能的快速冷卻HIP裝置，以最大限度地縮短處理時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

隨后，3D打印的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)被送到Avonix Imaging進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描。這個(gè)項(xiàng)目需要進(jìn)行3D錐形束掃描和2D線性陣列掃描，前者用于捕獲數(shù)千張射線照片，以在單次掃描中生成大型三維體積數(shù)據(jù)，后者用于克服錐形束CT掃描可能會(huì)妨礙缺陷檢測的問題。

Avonix采用了450KV微焦源、61.5微米體素尺寸和4mm銅過濾器的錐形束掃描方法對火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行掃描，過程持續(xù)45分鐘，捕獲了3000個(gè)投影圖像。在打印零件中沒有發(fā)現(xiàn)孔隙的跡象，隨后Avonix采用線性方法驗(yàn)證了研究結(jié)果。對于第二次掃描過程，使用了450KV微焦點(diǎn)源、100微米體素尺寸和2mm銅過濾器。每片處理時(shí)間為45秒，共捕獲了1600多個(gè)Z切片，總計(jì)耗時(shí)19小時(shí)。

在此過程結(jié)束時(shí)，SLM Solutions、Quintus和Avonix將向?qū)W生返還火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的零件數(shù)量減少，復(fù)雜性提高，疲勞強(qiáng)度增加，機(jī)械性能的變化更小。合作伙伴還強(qiáng)調(diào)了當(dāng)前熱等靜壓（HIP）標(biāo)準(zhǔn)對于3D打印Inconel 718的局限性，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)最初是為鑄件制造而設(shè)計(jì)的，而現(xiàn)在已被應(yīng)用到增材制造領(lǐng)域。然而，在經(jīng)過質(zhì)量保證測試的支持下，他們進(jìn)一步加強(qiáng)了金屬增材制造與HIP的結(jié)合，以在航天和航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高級應(yīng)用，同時(shí)確保質(zhì)量不受損。