綜述：航空航天領域的金屬增材制造之三

來源：江蘇激光聯(lián)盟

金屬增材制造可被應用于多領域，本綜述著重介紹其在航天航空領域的應用、該領域應用此技術的優(yōu)勢所在、現(xiàn)有應用存在的挑戰(zhàn)、該領域未來發(fā)展的潛力以及對該技術應用的展望。此為第二部分（總共四大類應用），本文主要介紹該技術在航空航天中的其中兩大獨特應用——熱力裝置和液體燃料火箭部件！

2.3. 熱力裝置  
采用AM（增材制造）制造的先進傳熱裝置在減少制造時間、改善熱交換器(HXs)、散熱器(HSs)和熱管(HPs)在生產(chǎn)復雜內(nèi)部幾何形狀方面的性能方面有很大的潛力。熱交換器對于航空航天領域部件的應用（如飛機和宇宙飛船發(fā)動機的性能）至關重要。散熱器通常用于飛機和航天器電子方面。這兩者的傳統(tǒng)制造技術通常分別是釬焊技術和數(shù)控銑削技術，然而這些技術的缺陷也非常明顯。雖然釬焊是一種有效的制造方法，但對熱交換器它通常包含大量耗時的工作、實現(xiàn)合理間隙的高公差并且通常需要昂貴的材料，而這種材料增加了組件的成本。此外，散熱器的數(shù)控銑削技術則受到其復雜性的限制。

因為這些原因，AM技術正被用于兩者趨利避害，既提升復雜性、也增強靈活性——實現(xiàn)性能提升，使設計者能夠提高比表面積（表面積-體積比）。此外，釬焊技術通常限于那些與制造流程相容的材料，但AM則允許制造設備使用更多種材料。Gobetz等人進行了一項證明在航空航天應用的熱交換器中使用AM技術可行性的研究，力圖實現(xiàn)更直接的制造，而不是目前熱交換應用中的傳統(tǒng)制造和組裝技術。

Gradl完成的一個案例研究強調(diào)了AM在飛機熱力交換的典型應用中的優(yōu)勢。該研究以飛機機油冷卻器為例，比較了AM相對于傳統(tǒng)制造方法在熱交換部件中的功能。所述部件是現(xiàn)有常規(guī)制造的熱交換器的直接復制品。利用激光粉末床熔融 (LPBF) 技術，用鑄造鋁合金（AlSi10Mg）制造該組件。盡管AM制造工藝在組件中產(chǎn)生了一些缺陷，但在測試中，其性能明顯更優(yōu)，證明了AM熱交換器在實際應用中的巨大潛力。

更值得注意的是，通用電氣已經(jīng)將AM 熱交換納入了他們目前正在運行的最新GE9X發(fā)動機系列中，將鋁合金(F357)應用在LPBF機器上制造而成。熱交換器作為發(fā)動機的重要部件，通過AM制造技術可減小尺寸、減輕質(zhì)量、降低成本和提高耐用性。

▲ 圖1 GE9X商業(yè)引擎

美國國家航空航天局(NASA)最近的火星任務是向火星運送另一輛火星車。這艘名為“毅力號”的火星車的任務是尋找遠古生命的跡象，并收集浮土和巖石樣本，并在未來返回地球。該火星車于2021年2月登陸火星，搭載了11個采用金屬AM技術制造的部件。在這11個組件中，有6個是在莫邪(火星氧氣原位資源利用實驗的簡稱)中使用的AM制造的熱交換器。這些熱交換器暴露在火星大氣中，必須長時間承受超過800攝氏度的超高溫。為了實現(xiàn)這一目標，鎳基高溫合金被用于熱交換器結(jié)構(gòu)。與使用傳統(tǒng)技術制造相比，這簡化并提高了莫邪系統(tǒng)的性能。除了6個熱交換器之外，毅力號還在它的X射線巖石化學行星儀器（PIXL）上安裝了5個其他AM部件。為了減輕PIXL的質(zhì)量，AM被用于制造雙層鈦殼、安裝框架和兩個支撐支柱，與傳統(tǒng)方法制造的部件相比，所有這些部件的質(zhì)量都減少了2/3或3/4。

▲ 圖2 PIXL的外殼，前半部分的雙層鈦殼

由于與傳統(tǒng)制造方法相比，AM為組件提供了前所未有的復雜性，因此在充分優(yōu)化熱交換器(HXs)和散熱器(HSs)等器件的設計能力方面往往存在局限性。通過熱TO（拓撲優(yōu)化，topologyoptimization，以下簡稱TO)的形式應用AM技術，優(yōu)化工具在熱交換器和散熱器中的應用越來越受到關注。deBock 等人的一篇論文展示了在散熱器應用中使用混合分析熱TO (HAATO)的潛在性能。盡管這些優(yōu)化技術仍處于初級階段，但通過增加其幾何復雜性，它們有可能大幅提高HSs和HXs的性能。圖3顯示了他們的AM HX設計令人難以置信的內(nèi)部復雜性，旨在用于賽車運動。高度復雜的結(jié)構(gòu)針對大表面積進行了優(yōu)化，增強了熱交換。雖然這不是航空航天的例子，但航空航天部件的原理和優(yōu)點是相同的。

▲圖3 Conflux F1換熱器的應用

內(nèi)部冷卻通道的例子存在于內(nèi)燃機的氣缸體中和飛機的高壓渦輪葉片中。這些集成系統(tǒng)通常受到傳統(tǒng)制造技術的限制，例如連接、釬焊、鑄造和數(shù)控銑削工藝。AM技術為內(nèi)部冷卻通道和微晶格結(jié)構(gòu)以及相關設計的選擇提供了更多的復雜性。小型無人機設計和制造商Cobra Aero試圖利用AM、優(yōu)化技術和晶格結(jié)構(gòu)來改進他們的無人機發(fā)動機，實現(xiàn)輕質(zhì)減量和優(yōu)化傳熱特性。使用AM，他們生產(chǎn)了一個利用多場耦合模擬（multi-physics simulations ）氣缸體，該模擬考慮了溫度場、流場、磁場、應力場和壓力因素，最終使優(yōu)化設計的氣缸體比通過傳統(tǒng)制造方法實現(xiàn)的設計更具熱效率。

▲圖4 Cobra Aero AM和晶格氣缸體設計

熱氣防冰是商用飛機上廣泛使用的防冰系統(tǒng)，可限制飛機機翼前緣結(jié)冰。Bici等人探索了晶格結(jié)構(gòu)在多功能面板中的應用。該設計側(cè)重于通過AM技術制造的單件翼型，具有內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)，將熱空氣分配到翼型的前緣，以防止結(jié)冰。此外，該設計通過使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)減少前緣的質(zhì)量來減輕結(jié)構(gòu)應力。

HiETA是一家總部位于英國的工程公司，使用激光粉末床熔融等AM技術為航空航天市場生產(chǎn)各種產(chǎn)品，特別關注熱力交換和冷卻設備。他們使用AM技術生產(chǎn)內(nèi)部冷卻的徑流式渦輪機葉輪和外殼。渦輪葉輪由CM247 LC（鎳基沉淀硬化型定向凝固柱晶高溫合金,使用溫度在1050℃以下）或Inconel鉻鎳鐵合金合金制成，具有復雜的內(nèi)部冷卻通道，可在降低部件質(zhì)量的同時提高渦輪發(fā)動機的工作溫度。

▲圖5 HiETA熱交換器

2.4. 液體燃料火箭部件

過去20年來，以空間探索、科學研究、通信衛(wèi)星、地球觀測衛(wèi)星、國際空間站長期載人以及其他任務為形式的天基活動迅速增加。所有這些活動都得到了美國航天局NASA阿耳忒彌斯Artemis計劃和許多進入軌道發(fā)射市場的私營公司的幫助。隨著發(fā)射供應商之間的競爭逐漸激烈，創(chuàng)新也激增，先進的制造技術（如AM）在空間發(fā)射系統(tǒng)和衛(wèi)星中被廣泛使用。衛(wèi)星、空間站和航天發(fā)射系統(tǒng)號稱是最昂貴的人造物體，僅國際空間站就耗資1600億美元，且這些花費還在不斷增加。與傳統(tǒng)制造方法相比，AM在低成本方面具有明顯優(yōu)勢，有可能使天基活動更容易。

由于發(fā)射系統(tǒng)提供了進入空間的基礎設施，這些系統(tǒng)的效率對于降低天基系統(tǒng)的成本至關重要。這些系統(tǒng)的核心則是液體燃料火箭發(fā)動機——廣泛應用于大多數(shù)運載火箭的應用中。通過在更現(xiàn)代的火箭發(fā)射系統(tǒng)中使用AM技術可以更好的利用復雜的系統(tǒng)從而提高系統(tǒng)性能。非官方報告顯示，正在開發(fā)的SpaceX Raptor發(fā)動機包含高達40%的AM制造部件，空間發(fā)射系統(tǒng)被證明是AM制造部件的主要應用之一。

火箭發(fā)動機上的噴射器系統(tǒng)通常由數(shù)百個單獨制造的部件組成，然后釬焊或焊接成單個噴射頭（圖6）。通過傳統(tǒng)制造技術制造這些噴射器組件通常耗時且昂貴。但AM技術可以用來大幅度降低制造這些部件所需的成本和時間。阿麗亞娜6號定于2020年發(fā)射，是阿麗亞娜集團生產(chǎn)的最新火箭，作為其RAMS(Reliabilit可靠性、y,Availability可用性、Maintainability 可維護性和Safety安全性)準則的一部分，他們正在尋找創(chuàng)新方案。為了在阿麗亞娜5的基礎上再降低40-50%的生產(chǎn)成本以及提升性能，整個項目采用了AM技術。該噴射器芯在超快速四激光器增材制造系統(tǒng) （EOS M400–4）上利用 Inconel 718生產(chǎn)，可快速縮短生產(chǎn)時間。

▲圖6 阿麗亞娜6號火箭的注射器芯

哥本哈根亞軌道公司是一家完全眾籌的非營利航天公司，一直在評估將AM組件應用到生產(chǎn)流程中以降低成本的可行性。他們最新的AM案例研究——同軸渦流注射器的渦流器，是使用瑞典工業(yè)3D打印機制造商Digital Metal公司專有的粘合劑噴射（binder jetting ）金屬增材制造技術制造的。無獨有偶，德國航空航天中心完成的一個項目也涉及航空航天領域的同軸注射器應用。該項目基于小型衛(wèi)星運載火箭(SSLV)計劃，旨在降低小型衛(wèi)星生產(chǎn)商的軌道成本。在使用LPBF技術制造后，該注射器成功通過測試，顯示出良好的性能特征，并為德國航天中心的進一步開發(fā)鋪平了道路。美國國家航空航天局還展示并報告了數(shù)百次液體火箭發(fā)動機應用中各種燃料的成功噴射器熱點火試驗。

在NASA位于阿拉巴馬州的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center-MSFC)，火箭發(fā)動機部件的AM應用正在進行大量的研發(fā)。美國宇航局與Stratasys Direct Manufacturing公司合作，利用LPBF技術開發(fā)并測試了一種注射器系統(tǒng)。該注射器由Inconel 625制成，具有獨特的流動性，只有通過AM技術才能實現(xiàn)。然后，MSFC繼續(xù)制造和測試由75%的AM組件組成的演示火箭發(fā)動機。自2010年以來，NASA已經(jīng)開發(fā)并測試了無數(shù)AM組件，例如銅合金(GRCop-42和GRCop-84)燃燒室、液氫和液氧燃料泵、J-2X上的維護端口蓋以及帶有一體式pogo z擋板的pogo蓄能器組件(圖7)。其中一些部件將分別安裝在即將面世的空間發(fā)射系統(tǒng)下的RS-25液體火箭發(fā)動機上。

▲圖7 RS-25發(fā)動機上的pogo z擋板

美國火箭和導彈推進制造商Aerojet Rocketdyne也一直在評估AM在他們新的火箭發(fā)動機AR-1系列中的應用。AR-1旨在取代目前使用的俄羅斯制造的RD-180發(fā)動機，其預燃室采用AM方法。預燃室由Mondaloy——一種專有的耐燃鎳基高溫合金制造的，可以不再使用目前RD-180等富氧發(fā)動機上普遍使用的復雜金屬涂層工藝。這不是Aerojet Rocketdyne使用AM技術制造和測試的第一個組件。早在2017年，該航天公司使用AM為其RL-10火箭發(fā)動機制造并測試了一個銅燃燒室，并制定了AM在空間應用中的重要標準。

阿麗亞娜（Arianne）集團最近制造并完成了全尺寸演示火箭發(fā)動機的熱火試驗，該發(fā)動機集成了AM制造的部件，采用了LPBF制造的噴頭和燃燒室，分別使用鎳基合金和不銹鋼材料。作為阿麗亞娜6號開發(fā)計劃的一部分，這些新的AM制造部件將于2022年搭載阿麗亞娜新一代火箭。

AM應用有時受限于基于L-PBF的機器的構(gòu)建面積限制，這些機器只能生產(chǎn)最大構(gòu)建體積的部件(單激光商業(yè)系統(tǒng)通常為300–600立方毫米，盡管更大的系統(tǒng)正在開發(fā)中)。在常規(guī)制造條件下建造的火箭燃料箱和飛機機身通常采用稱為等網(wǎng)格薄結(jié)構(gòu)設計（稱為 Isogrid）分多部分進行制造，在此過程中會產(chǎn)生大量材料浪費，因為整個等網(wǎng)格設計通常使用銑削技術從較厚的原材料板上加工而成。由于原材料的高度浪費和大型火箭機身所需的長鉛板原材料，這導致了該部件極其昂貴。

由于直接能量沉積技術(DED)不受尺寸的限制，較大的液體燃料火箭部件已經(jīng)開始逐漸使用此技術。一個具體的應用領域是使用DED制造整個燃料箱。使用DED技術，有可能將整個火箭燃料箱印刷成單件或少得多的個件，材料浪費明顯減少，所需工具也少得多，從而大大降低這些部件的成本。LockheedMartin公司最近為使用EB-DED(電子束直接能量沉積)建造的衛(wèi)星燃料箱開發(fā)并測試了一種鈦圓頂。直徑為1.16米的圓頂用作目前正在生產(chǎn)的LM 2100衛(wèi)星平臺上的可變尺寸油箱的蓋子。使用這些制造技術，該公司節(jié)省了寶貴的生產(chǎn)時間，同時顯著減少了材料浪費。美國一航空航天公司——RelativitySpace公司計劃使用一種專有合金的AM技術制造他們的整個Terran 1號火箭 (圖8)。值得注意的是，該公司計劃使用AW-DED建造直徑為2米的兩用燃料箱和機身，大大減少了材料浪費，并展示和地面測試了探路裝置。由于使用這些方法生產(chǎn)的部件在理論上沒有高度限制，因此該部件的整個燃料箱可能超過10米高。

SpaceX在他們的獵鷹9號（Falcon 9）火箭上成功開發(fā)并發(fā)射了一個AM制造的主氧化劑閥后，繼續(xù)開發(fā)用于他們的Dragon V2飛船的SuperDraco發(fā)動機系列。SuperDraco發(fā)動機用于任務關鍵的發(fā)射逃生系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在當飛船發(fā)射過程中發(fā)生緊急情況時，將宇航員運送到安全的地方。該系統(tǒng)采用Inconel合金制成的AM發(fā)動機艙，是載人宇宙飛船上重要AM部件的最早應用之一，載人宇宙飛船在Demo-2和 Crew-1 號任務中兩次成功地將宇航員送入國際空間站。圖9展示了組裝好的Superdraco火箭發(fā)動機和在熱火試驗中測試臺上的發(fā)動機。

▲圖9 SpaceX應用AM的Superdraco發(fā)動機

使用AM技術制造主要發(fā)動機部件已經(jīng)在總部位于加州的航空航天公司RocketLab得到了大規(guī)模應用。該公司是一家小型衛(wèi)星發(fā)射提供商，自2013年以來，一直使用AM技術制造Rutherford火箭發(fā)動機上的所有主要部件。其特點是燃燒室、注射器、泵和主推進劑閥以及其他部件都是使用電子束粉末床融合 (EB-PBF) 技術制造的，迄今為止已經(jīng)進行了18次測試、制造和發(fā)射。

燃燒室、噴嘴和噴射器組件通常使用多種材料和成千上萬個部件制造，最近在單件組件的AM應用中備受“寵愛”。其中一個例子是Relativity Space公司制造的Aeon1號火箭發(fā)動機。即將在上文提到的 Terran1號運載火箭上發(fā)射，其特點是噴射器、點火器、燃燒室和噴嘴都是使用AM技術作為一個單一部件制造的。另一家總部設在紐約的發(fā)射公司，計劃使用主要由AM制造的部件制造小型衛(wèi)星發(fā)射器類中性能最高的火箭發(fā)動機。他們的火箭發(fā)動機“E-2”將是最大的單部件燃燒室、噴射器和噴嘴組件，全部采用L-PBF技術，由C18150(銅-鉻-鋯)合金制成

最近，美國宇航局一直在使用各種AM方法開發(fā)液體燃料火箭發(fā)動機部件的新材料和應用領域。這方面的突出例子是在美國航天局快速分析和制造推進(Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion-RAMPT)項目和空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)項目下的評估新材料的項目，分別是在美國航天局格倫研究中心(Glenn Research Center-GRC)和美國航天局MSFC開發(fā)的GRCop-42和美國航天局HR-1。圖10 GRCop系列銅鉻鈮合金和鐵鎳NASA HR-1超級合金主要是為使用AM的火箭燃燒室和噴管應用而開發(fā)的。

▲圖10 左：使用L-PBF GRCop-42的雙金屬7k耦合室，帶有HR-1 DED集成噴嘴中：配有歧管右：使用L-PBF GRCop-42襯里和HR-1 DED夾套建造的雙金屬40k室

美國航天局還展示了大規(guī)模分布式發(fā)電的許多應用，特別是低壓分布式發(fā)電。美國宇航局的重點是火箭發(fā)動機部件，如大型通道壁噴嘴和動力頭部件。該噴嘴具有與燃燒室相似的設計，并結(jié)合了精細的特色通道，以消除組裝過程中經(jīng)常涉及的釬焊接頭和大量需要的工具。美國宇航局MSFC和工業(yè)伙伴最近展示了一個65%比例的RS-25發(fā)動機整體通道LP-DED噴嘴，直徑1.52米，高度1.78米。之前的噴嘴還在較小的規(guī)模上展示了低壓-直流一體化通道特征，并完成了幾次高占空比的熱火試驗。噴嘴證明了在全尺寸設計中將傳統(tǒng)制造噴嘴的零件數(shù)量從1100多個減少到少于10個部件的潛力。其他組件已使用DED技術進行了演示，包括各種大型歧管和復雜組件，如RS-25動力頭半殼。這些部件很多使用鍛件或鑄件制造，具有大量的機械加工操作，并且通過使用DED的短沉積時間顯示出顯著的成本和進度節(jié)約（圖11）。

▲圖11 美國國家航空航天局大規(guī)模DED的例子。A：直徑為60英寸(1.52米)高度為70英寸(1.78米)的LP-DED整體通道噴管，美國宇航局在90天內(nèi)沉積HR-1合金 B：使用因科鎳合金718的動力頭半殼，以及C：規(guī)模為RS-25的LP-DED JBK-75噴管(無通道)。

最近，在火箭噴管部件中使用AM和晶格結(jié)構(gòu)已被大量研究。推力室組件承受各種綜合機械、熱力和綜合環(huán)境載荷，這給優(yōu)化帶來了困難。Cellcore和SLM Solutions之間的合作產(chǎn)生了一種利用L-PBF的綜合推力室設計，以展示其在航空航天工業(yè)中的潛在應用。如圖12所示，推力室在其壁上有一個結(jié)構(gòu)晶格，也可作為發(fā)動機的冷卻夾層。這款一體式引擎僅用了三天多的時間就在一臺SLM 280打印機上生產(chǎn)出來了。因為該設計使用了 Inconel 718，這是一種特別難加工的材料，并且很難后處理，這種生產(chǎn)方法就最大程度地避免了昂貴的工具磨損，節(jié)省了相當多成本，同時產(chǎn)生了一種極其輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。該設計還采用了完全集成的噴射器，進一步減少了最終火箭設計的零件總數(shù)、降低了復雜性。雖然該設計展示了多個部件潛在集成的示例，但必須在完整的環(huán)境中很好地理解整體負載，以納入拓撲優(yōu)化和整個AM過程。

▲圖12 Cellcore生產(chǎn)的有內(nèi)部冷卻通道地噴嘴

由于大多數(shù)火箭發(fā)動機再生冷卻通道的復雜性，熱力優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術在火箭發(fā)動機設計中的應用越來越受到關注。類似于TO的人工智能驅(qū)動設計軟件的開發(fā)者Hyperganic使用自上而下的方法演示了概念火箭噴管的優(yōu)化應用，將燃燒室、噴管和冷卻通道等幾個部件集成到一個單獨的部件中，噴嘴使用金屬AM技術印刷。圖13這一原型設計是在EOS M400-4打印機上由Inconel 718制造的。噴嘴的外表面采用回轉(zhuǎn)式最小表面晶格設計。這些晶格結(jié)構(gòu)在自然界中是存在的，并且通常是自支撐的，在其表面上的任何點都具有零平均曲率的特征，使得應力在結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布更加均勻。這些例子展示了一些潛力，但這些設計仍未在飛行部件中廣泛測試或采用，目前仍處于設計和概念驗證階段。

▲圖14 Hyperganic設計的既有內(nèi)部冷卻也有外部晶格的噴嘴

總結(jié)：通過二a和b部分的分析，我們了解了四大類航天AM應用，可以發(fā)現(xiàn)金屬增材制造技術（AM）的許多應用幾乎存在于整個航空航天工業(yè)中。

文章來源：Metal additive manufacturing in aerospace: A review,Material and Design,Elsevier
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008
參考資料：
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