科研人員利用3D打印技術打造液體火箭發(fā)動機,，推動高級太空應用

2023年6月28日,，南極熊獲悉，一群就讀于圣地亞哥州立大學 (SDSU)的工程專業(yè)學生正在開發(fā)液體火箭發(fā)動機,，他們的目標是將其發(fā)射到被公認為太空邊界的卡門線,。實現(xiàn)這一目標，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材料進行制造,。

△3D打印液體火箭發(fā)動機組件，將一百多個零件整合為五個

SLM Solutions的專業(yè)團隊在開發(fā)過程中提供了指導,，成功將發(fā)動機的零部件數(shù)量從100多個精簡至僅有五個,。這一創(chuàng)新產(chǎn)品將在密歇根州威克瑟姆的SLM北美應用中心進行制造，并在俄亥俄州的Quintus Technologies應用中心進行熱等靜壓（HIP）處理,，并通過Avonix Imaging進行CT掃描以進行質(zhì)量測試,。

據(jù)悉，發(fā)動機的制作過程已經(jīng)進行了約一年時間,，其中涉及大量的設計審查,、原型制作和測試程序。目標是打造一個由兩部分外罩,、兩部分內(nèi)襯和噴油器組成的最佳發(fā)動機系統(tǒng),。這些零部件采用Inconel 718粉末在氬氣環(huán)境中進行30微米厚度的3D打印，并在1066°C的氬氣環(huán)境中進行1.5小時的脫粉和應力消除,。最后,，采用線切割技術將零部件與構建板分離。

△采用Inconel 718 3D打印的火箭室

復雜幾何形狀和鏤空結構的部件

在整個項目中,，3D打印制造技術使團隊能夠快速原型化設計理念,，并制造出具有復雜幾何形狀和鏤空結構的部件。所有這些優(yōu)勢使得發(fā)動機能夠以更輕的重量滿足性能規(guī)格,。然而,，采用該技術也面臨一些挑戰(zhàn)。

在對金屬粉末床熔融打印工藝進行優(yōu)化設計之后，該團隊發(fā)現(xiàn)材料中的晶粒不是均勻的等軸晶粒,，而是呈柱狀沿著構建方向生長,。

晶粒的尺寸對金屬材料的機械性能非常重要，因為霍爾-佩奇方程表明在室溫下,，屈服應力與晶粒平均直徑的平方根成反比,。因此，晶粒越小,，材料越強韌,。然而，這種晶粒生長導致材料的機械性能在不同方向上有所差異,，因此團隊必須采取措施來減少金屬缺陷并提高抗疲勞性能,。

當金屬暴露在高于再結晶溫度的溫度下時，晶粒尺寸會增大,。溫度越高,，暴露時間越長，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，處理時間為4小時,。然而,，一些研究表明這些參數(shù)會導致晶粒大量生長，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)

研究結論

通過降低溫度或暴露時間,，可以解決增材制造材料中晶粒生長的問題。Quintus Technologies與瑞典西大學的合作研究表明,，在比傳統(tǒng)溫度更低的條件下進行熱等靜壓（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，結果顯示在這個溫度范圍內(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,。進一步測試還表明，將1120°C的HIP處理與固溶處理和縮短的兩步時效工藝相結合,，甚至可以減小晶粒尺寸,。

△HIP技術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，正在應用優(yōu)化的HIP循環(huán)來實現(xiàn)微觀結構的均勻化,，并最大限度地減少晶粒生長,，同時追求完全致密的結構,。他們在Quintus應用中心對火箭發(fā)動機的較小3D打印組件進行HIP處理，采用溫度為1120°C,、壓力為100MPa的浸泡,，持續(xù)處理四個小時。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間,，提高生產(chǎn)效率。

隨后,，3D打印的液體火箭發(fā)動機被送到Avonix Imaging進行計算機斷層掃描,。這個項目需要進行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)動機進行掃描，過程持續(xù)45分鐘,，捕獲了3000個投影圖像,。在打印零件中沒有發(fā)現(xiàn)孔隙的跡象，隨后Avonix采用線性方法驗證了研究結果,。對于第二次掃描過程,，使用了450KV微焦點源、100微米體素尺寸和2mm銅過濾器,。每片處理時間為45秒,，共捕獲了1600多個Z切片，總計耗時19小時,。

在此過程結束時,，SLM Solutions、Quintus和Avonix將向學生返還火箭發(fā)動機,，這些發(fā)動機的零件數(shù)量減少,，復雜性提高，疲勞強度增加,，機械性能的變化更小,。合作伙伴還強調(diào)了當前熱等靜壓（HIP）標準對于3D打印Inconel 718的局限性，因為該標準最初是為鑄件制造而設計的,，而現(xiàn)在已被應用到增材制造領域,。然而，在經(jīng)過質(zhì)量保證測試的支持下,，他們進一步加強了金屬增材制造與HIP的結合,，以在航天和航空領域實現(xiàn)高級應用,，同時確保質(zhì)量不受損。