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增材制造液体火箭发动机推力室端到端的工艺评价(1)
本文探讨了增材制造液体火箭发动机的最新技术、挑战和,本文为第一部分,图8 L-PBF与DED推力室生产工艺比较,左图:参照航天飞机主引擎(SSME),构建商业AM机器的外壳概述,右图:典型的最小特征尺寸和构建直径,无论是基于粉末和基于金属丝的DED技术都适用于双金。
包括结构关闭,这两种制造方法的主要区别在于,基于粉末的封装工艺需要一个带有封闭通道的预制腔体,由于基于线的DED熔断器在通道之间的肋骨上关闭,封闭的冷却通道对这种生产技术没有严格要求。
采用后一种生产技术,设计人员可以在制造闭孔之前加工冷却通道,从而更好地控制冷却剂通道的粗糙度,这两种双金属制造方法都可以作为传统发动机设计中常用,江苏激光联盟陈长军原创 作品,理想的推力室衬垫材料具有比强度高、延展性好、导热系,通常。
大多数导电金属合金的强度重量比都很低,而强度重量比高的金属合金往往导热性差,在DED中,一个独特的组合是使用双金属或多金属结构,将多种合金组合成一个整体部分,Knight等人进行了数值研究。
表明多金属、分级的壁结构可以用来降低再生冷却推推器,Onuike等人实验研究了grco -84和Inc,方法是将两种粉末直接沉积在彼此之上,用预混粉末(50% wt% Inconel 718,50% wt% grco -84)进行成分分级,文献报道了两种材料之间成功的金属键合,并采用了两种生产工艺。
这两种技术都成功地将金属连接起来,(A) AutoFab中距骨假体组件的设计,(B)利用SLM制作CoCrMo距骨假体,(C)抛光后用SLM制备的相同CoCrMo距骨假体,(D)采集数据时将标本放置在试验台,脚踝被替换成其中一个原型。
L-PBF耐火合金用于推力室的评估工作也已经完成,这一过程被用在用于空间推进器的铌合金C-103上,由于其细小的晶粒尺寸分布而性能得到了改善,粉体供应链也在工业规模上取得了进步,允许更广泛地使用C-103,其他合金如钨、钨铼和钽,用L-PBF制造可用于推力室,虽然许多难熔合金用于辐射冷却应用。
但它们可以与积分通道使用L-PBF工艺的各种应用,本文详细综述了利用激光粉末床融合或粉末基和线基定向,详细、系统地解释了加法制造推进器的步骤,包括过程考虑、AM技术和后处理操作,自2016年以来,NASA已经制作并测试了30多个不同的l- pbf,所有的推力室都采用了之前描述的AM技术。
一些单元采用了双金属AM护套,在各种推进剂和混合比下,推力室的室压从14到97 bar以上进行了测试,产生4.4到156 kN的推力,NASA已经在各种AM GRCop合金和AM双金属,000次启动(图3)。
AM L-PBF再生冷却室的设计过程的两个主要调整,2,激光粉末层聚变,虽然LP-DED工艺的一个优势是能够形成完整的通道,但整体结构也可以形成使用各种DED工艺和传统加工和,这允许在设计中保持加工表面,然后可以应用各种收尾技术。
使用DED在液体火箭发动机推力室上形成近净形结构,三菱公司在歧管上和GKN在喷管上的结构加强筋上也进,作为工艺演示的一部分,NASA还演示了大型喷管结构的LP-DED工艺,使用NASA HR-1材料。
在30天的沉积时间内制造出直径为101.6厘米、高,在沉积和后处理之后,喷嘴完成了三维扫描,显示出与标称几何形状的偏差小于0.5 mm,在90天的沉积时间内。
一个直径为152厘米、高度为178厘米的大型整体通,这些喷嘴包括各种内部通道几何形状和过渡,与传统制造的组件相比,这种整体通道配置显著减少了操作和零件的数量,美国国家航空航天局还展示了其他各种推力等级为178,这些喷嘴将热发射,这些喷嘴都证明了成功制造符合几何公差,能够去除任何多余粉末。
变形最小,并制定了构建和刀具路径策略,除了针对整体通道的高温合金开发外,还展示了使用GRCop-42合金和LP-DED的其,该合金可用于大型腔室应用,正如前面提到的AM限制,表面粗糙度仍然是一个挑战。
需要额外的开发或后处理,以允许与机加工或拉制表面光洁度具有可比性的压降,图5 该工艺的积分通道DED和小尺寸热火测试实例,2.2 整体式铜合金腔室,AM推力室的兴趣在发射行业看到了巨大的增长,并已被证明为许多发展和几个飞行应用,AM技术甚至被称为未来欧洲Prometheus L。
许多公司已经公开了他们的开发努力和飞行应用的AM舱,利用AM技术制造燃烧室,缩短了生产周期,降低了成本,NASA强调了使用AM技术的传统制造的交货期和一般。
该技术结合了各种AM工艺,3.2.单片结构,最近,包括选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM),在这些AM技术中,SLM因其可加工的金属种类繁多,几何自由度和复杂性。
以及与EBM制造的零件相比较低的表面粗糙度而在生物,上图为一个通过SLM实现的CoCrMo踝关节内假体,尽管大多数高温合金在比强度方面优于铜合金,但由于与这些合金相关的低导热系数,导致壁温超过材料极限,因此在高压发动机中的应用受到限制。
对于这些应用,高导电性铜合金是更合适的,Aerojet Rocketdyne发布了关于C-,作为RL-10的升级,一家初创公司Launcher Inc也公开讨论了使,并成功进行了小规模的热火测试。
由于C-18150在传统制造中的成熟应用以及潜在的,它仍然是一种受欢迎的推力室航空合金,对于大多数液体火箭发动机,需要对燃烧室进行主动冷却,以适当地保持壁面温度,并考虑到设计和所用材料的结构余量,这种冷却通常被称为主动冷却、通道冷却或蓄冷,因为发动机系统中的推进剂后来会作为燃烧过程的一部分。
再生冷却也需要在发动机循环中,如膨胀器,以允许适当的推进剂热收集来驱动涡轮机械,并在某些循环中可以提供燃烧效率的提高,大多数燃烧室使用一组轴向通道,用薄(热)壁将热燃烧气体与通道中的冷却剂隔开,燃烧室的设计和随后的热壁与结构边缘和适当保持壁温的。
为了降低壁温,需要一个无限薄的壁,但需要适当的厚度来控制压力,与L-PBF一样,DED技术也可用于制造整体推力室,LP-DED工艺已经成熟。
可以形成完整的通道结构,主要用于腔室的通道冷却喷嘴部分,由于材料是局部沉积的,不存在像L-PBF那样的尺寸限制,这是喷嘴扩展到大直径时所需要的,DED过程的限制是龙门式或机器人系统被使用。
NASA和行业合作伙伴已经演示了LP-DED工艺在,包括Inconel 625、JBK-75和NASA,这些演示单元已经通过热火测试证明是可行的,包括使用JBK-75的整体通道DED喷嘴,该喷嘴在大于83 bar的燃烧室压力下完成了114,LOX/GH2积累了4170秒,其他测试已经使用Inconel 625和NASA 。
在主测试阶段,这些喷嘴的壁温超过732 ◦C (见图5),4.较低的热膨胀以减少热致应力和低周疲劳,江苏激光联盟导读:,2.最大使用温度在800 ◦C左右,取决于强度和蠕变要求。
6.成熟的AM工艺,提供一致的,最低的材料性能,1.热、氧化还原循环过程中的抗氧化和漂烫性能,3.1 双金属结构。
随着AM技术的发展和AM机器规模的增加,额外的成本和进度节省被实现从两件焊接到单件室,在图1中可以看到一个例子,增材制造应用的推进器规模差别很大,从立方体卫星的小型推进装置或反应控制系统到轨道运载,本工作的目的是对应用于再生冷却液体火箭推力室的端到,有许多不同的金属增材制造技术可以用来制造整体冷却推,本文重点介绍了通过激光粉末床融合(第2节)和定向能。
对于这些生产技术,本文提供了用于推力室的端到端工艺流程(第4节),2.1. 整体高温合金和耐火材料室,GRCop-84和GRCop-42之间有一些区别,它们可以在不同的应用场合进行,GRCop-42在某些温度范围内具有较低的机械性能。
如强度,较高的导热系数(5%-8%),因此壁温较低,GRCop-42的延性普遍优于GRCop-84,由于GRCop-84的Cr2Nb含量只有其一半,这是预期的。
这两种合金在大多数应用中都有足够的延展性,并且会大量变形而不会失效,合金在低周疲劳时的主要区别在于应变控制试验中所观察,3.高温下具有良好的机械性能,高性能液体火箭发动机需要冷却,以保持燃烧室的结构完整性,暴露在高热和环境负荷。
对于许多系统来说,这是通过再生冷却的方式来实现的,冷却剂流经腔壁的通道,同时从腔壁中提取热量,金属增材制造(AM)是一种经常被考虑的新生产技术,增材制造技术的应用为发动机设计带来了新的机遇。
无论从技术角度还是从经济角度来看,这都可以带来更具竞争力的设计,图6 美国国家航空航天局(NASA)制造的LP-D,(a)直径101.6 cm,高度96.5 cm的HR-1合金喷嘴,带有整体通道,(b) GRCop-42通道演示器(NASA)。
从2014年开始,美国宇航局Marshall航天飞行中心和Glenn,grco合金最初由Glenn研究中心开发,是一种高导电性、高强度、弥散强化的铜合金,用于高温、高热流应用。
其机械性能可与挤压(锻造)材料相媲美,然而,增材制造试样的低周疲劳寿命缩短,这是由于AM工艺固有的表面粗糙度增加引起的裂纹,尽管铜合金和内部通道还需要进一步的表征,但机械加工或后处理表面处理可以帮助解决固有表面粗糙。
除了双金属结构外,grco -42和grco -84合金还被用于各种,包括LOX/LH 2、LOX/LCH 4和LOX/,图4 激光粉末定向能沉积示意图,在定向能沉积(DED)中,原料从沉积头沉积,如图4所示。
与L-PBF相反,原料只沉积在局部以创建一个自由的部分,而不是覆盖完整的建立板与粉末,定向能沉积可以使用粉末或丝料,粉末原料对于制造具有高尺寸公差的零件是极好的。
而成本是耗时的,另一方面,基于线材的工艺具有优越的沉积速率,但无法创建具有高分辨率的零件,这些DED工艺更适用于大型推力室、通道冷却喷管或辐。
DED制造技术可用于制造双金属推力室(章节3.1),同样的材料也被用于Avio开发的LOX/LCH推力,初创公司Dawn Aerospace报告称,他们的一些再生冷却整体太空推进器中使用了铬镍铁合金,Aerojet Rocketdyne公司在再生冷却,许多其他公司也展示了使用各种高温合金进行高温测试的,Inconel 625和Inconel 718是非,尽管在某些火箭环境(如氢)中有限制。
虽然高温合金在使用中,但如果不使用气膜冷却或其他可能影响性能的设计修改,它们并不是高性能燃烧室的最佳材料,GRCop合金是弥散强化材料,主要由Cr2Nb相强化,与之前的铜基合金相比,该材料具有以下优势:。
NASA实现的不同双金属推力室设计是使用基于线的D,特别是使用激光线直接收尾(LWDC)工艺,在这一过程中,带有开槽或成形通道的预制衬垫绕模具板上的中心轴旋转,在旋转的同时。
激光束被用来将线材熔合到先前沉积的层和腔室壁的肋上,从而创建一个双金属键,早期的双金属结构试验表明,C-18150衬里和347系列钢或Inconel ,Anderson等进一步的研究成功地实现了Inco,这两种材料都是基于粉末和金属丝的固体结构的DED,这篇文献报道了粉末基DED的高动能促进了再结晶和增,但代价是较高的残余应力。
对于丝基工艺,出版物得出的结论是,机械混合区要窄得多,美国国家航空航天局的双金属LWDC实验使用了一个更,随后,通过使用C-18150衬管和Monel 400封井,确定了有效的解决方案,之后进行了高温测试。
积累了大量的启动和运行时间,可对惰性气体进行预热,以增加气体喷射速度,冷喷已经适用于高温合金和铜基合金,铜合金C-18150、GRCop-84和GRCop,冷喷是一种铸造或锻件替代铜合金燃烧室内衬,然后再通过机加工和开槽加工。
并对冷喷工艺在铜衬套封闭和结构夹套的应用进行了验证,许多用于腔室套的高温合金可以通过冷喷涂成功应用,包括Inconel 625、Inconel 718,除部件制造外,冷喷涂还可用于涂层、修复、连接和钎焊合金应用。
参考文献:Gradl P.R.,Protz C.S.,Technologyadvancements f,Acta Astronaut.,174 (2020)。
pp,148-158,10.1016/j.actaastro.2020.,各种形式的DED在使用,主要的区别是原料,电线或电力。
和能源来源,最常见的DED形式是激光吹粉DED (LP-DED,它使用激光能量源(图4),线材也可以用作原料,这种情况下称为激光线材DED (LW-DED),其他的能量来源包括电子束和电弧,都使用线材,电子束集成在真空室内。
因此在活性合金中使用具有优势,电弧丝沉积(AW-DED),俗称“电弧丝增材制造”,可用于非常高的沉积速率,但分辨率有损失,虽然与L-PBF相比,DED具有较低的特征分辨率(图8),但它可以与L-PBF结合用于多金属结构。
在美国国家航空航天局(NASA),使用L-PBF制造的grco -84和C-1815,用Inconel 625结构夹套封闭,使用电子束DED和LP-DED,尽管成功地进行了热烧,但在DED制造过程中观察到了几何变形,这种变形在后续的出版物中继续。
使用双金属DED界面时,观察到轴向变化为3%-4%,喉部径向变化为7%-10%,然而,来自残余应力的制造挑战是可重复的,这种L-PBF和DED混合工艺对于需要在高燃烧室压,这种设计还提供了一个重量优化结构。
利用各种合金在当地需要的设计,1,介绍,在推进工业中,各种L-PBF推力室已经在各种材料中得到了验证,一个普遍观察到的趋势是,大多数公司依赖于高温合金或高导电性铜合金推力室设计,在2015年之前。
在铜合金完全开发和使用L-PBF表征之前,高温合金很常见,这些合金中如典型的镍基或铁基,能够承受极端温度和腐蚀性环境,SpaceX公司指出。
NTO/MMH SuperDraco发动机使用了I,其中包括整体冷却通道,图3 由NASA和商业合作伙伴演示的各种AM铜合金,(b) 156 kN双金属的液态氧/ LH2点火测,(c)大规模GRCop-42 31 kN室,(d)液态氧31 kN / LCH4点火测试。
e和(f) L-PBF c - 18150和双金属,和(g)点火测试10.7 kN双金属室(NASA),摘要,AM设计为新材料,重量优化,以及实现复杂的形状和几何形状提供了巨大的机会,这是不可能或过于昂贵的传统生产技术,此外。
与传统方法相比,AM推力室可以大大缩短生产时间,这也大大降低了相关成本,对于那些依赖可重复使用和消耗性运载工具架构并希望获,这可能尤其重要,其他优点包括能够使用各种合金的组合,或使用传统方法无法生产的新合金,图1 比较传统制造和增材制造的发展(cost in。
2020 equivalent,credits NASA),5.建立粉体供应链,历史上,液体火箭发动机的推力室已经使用了许多制造方法,最常见的推力室制造方法包括管壁(如RL-10,RS-27)和通道壁(如RS-25。
Vulcain),这些传统的方法使用一系列锻压成形和装配方法,包括锻造、机械加工、电镀、焊接、钎焊和铸造等多种技,尽管这些生产技术已经在该行业中得到了广泛的应用,但往往被证明是劳动密集型的,成本高昂的,并且导致组件和后续系统的零件数量很高,在新航天公司在发射装置市场的地位日益突出的时代。
新的推力室设计的成本效益比以往任何时候都更加重要,为了实现燃烧室的成本效益,有一些根本性的改进,包括减少制造时间、手动操作自动化、能够使用传统或更,以及使用整体燃烧室设计,在这些改进点上表现突出的一种新的生产方法是增材制造,除了PBF和DED。
自2000年初以来,一种用于推力室制造的替代AM方法是冷气体动态喷涂(,这是一种固态AM沉积技术,已被评估为近净形状的燃烧室内衬和夹克形成,该工艺使用一种会聚-发散式超音速喷嘴,将高压惰性气体和金属粉末喷射到背衬表面,当金属粉末颗粒达到临界速度时,材料发生塑性变形并通过动能粘附在目标表面上。
这通常在500-900米/秒的范围内,该工艺是固态的,不熔化材料,最大限度地减少残余热应力观察在其他AM工艺,3.定向能量沉积,图2 激光粉末床聚变示意图(来源:美国宇航局),激光粉末床融合(L-PBF),也被称为商品名称“选择性激光熔化”或“直接金属激光。
其中,是最常用的金属AM技术之一,原料以粉末的形式提供,在构建板上一层一层地沉积和熔化,如图2所示。
激光束在微尺度上提供必要的能量,粉末吸收这种能量,产生局部熔化,在完成一层后,将构建板降低,用刀片或复涂机臂重新涂覆,并继续熔化过程,直到实现三维形状。
沉积层的典型高度为20 ~ 100µm,为了防止金属在熔池中过度氧化,L-PBF过程发生在惰性环境中,GRCop-42和GRCop-84能够在高达800,它们已经成功地在超过750 ◦C的氧化环境中进行了,相比之下,纯铜限制在大约200 ◦C,而大多数铜合金不能超过500◦C。
用GRCop-42或GRCop-84替代C-181,可导致200 ◦C或更高的温度能力提高,提供更高的性能交易或更大的利润,这些特性,加上采用L-PBF工艺的GRCop合金的快速发展,使其成为高性能燃烧室的一个有吸引力的选择,理论上,用L-PBF制备的再生冷却推力室的最小壁厚或肋厚与。
一般为70 ~ 200 μ m,在大多数商用L-PBF打印机上,这种厚度的墙壁通常是不可重复的,或导致过多的孔隙,Patel等演示了在Inconel 718再生冷却,文献报道在室壁有几个气孔。
导致冷却剂通过室壁泄漏,Zhang和Miyamoto在Co-28Cr-6M,该推力室采用气膜冷却和再生冷却相结合的方法,Thomas提出了L-PBF制造部件的最小壁厚0.,Marchan等人的工作中也提到了Inconel 。
原型到生产,西门子实现3D打印燃气涡轮叶片突破
德国CAM软件和制造巨头西门子已经取得了突破,完成了一次特殊的满负荷发动机试验,其中的燃气涡轮机叶片完全采用增材制造(AM)技术,这也意味着3D打印技术进入到生产领域更加可信确凿,版权所有3D Science Valley,转载请链接至:www.51shape.com 网,增材制造可以实现优良的机械性能,粉末状原材料细晶组织。
在微观结构上各向异性需要控制和引导,除了叶片,西门子正在开发独特的燃气轮机设计,凭借在能源市场100年以上的经验,西门子将新的设计可能性转化为客户的具体解决方案。
图片:IDTechEx对能源行业的3D打印机市场预,西门子在材料科学、自动化、制造和工艺等重要领域有广,因此在3D打印行业中有着巨大的发展前景,先进的叶片设计的成功测试为下一步充分利用增材制造潜,西门子广泛使用增材制造技术进行快速成型。
并已推出系列生产解决方案的组件用于燃气轮机的压缩机,2016年2月,西门子在瑞典Finspång投资2千140万欧元开,开发新的或者改进的部件,以及用于更快地维修西门子工业燃气轮机——例如SGT,根据IDTechEx,在2014年用于石油和能源行业的3D打印机销量为9。
而在2025年有望达到18亿美金,显然,这一预测是基于当前工业级3D打印技术在用于生产能源,西门子在模拟真实工作环境下成功地验证了增材制造涡轮,每分钟13000转。
温度超过摄氏1250度,西门子测试的叶片设计具有完全改进的内部冷却几何制造,叶片被安装在功率为13兆瓦(MW)的西门子SGT-,涡轮叶片由高性能多晶镍高温合金粉末制成,这允许它们承受高压、高温和涡轮高速运转的旋转力,满载时,这些涡轮叶片运转速度高达1600公里/小时。
被温度高达1250°C的空气包围后又进入400°C,GE,西门子,Turbocam,Rapid Prototyping Service。
这些叶片来自与西门子收购的Materials So,Materials Solutions的核心竞争力,最擅长的领域包括Inconel 625,Inconel 718,以及镍基合金包括Hasteloy X,C263,C1023。
CM247LC,通过实现对材料在加工过程中的控制,Materials Solutions发展了自己的,不仅是性能优越,而且其几何形状也是通过传统加工方式无法实现的。
限量30台的神风帝王!帕加尼 Huayra R
马力强大、重量极轻的一部赛道专用车,空气力学套件成为影响单圈速度的重要关键,据厂方报称这部车在320km/h时的下压力可达到1,000kg,理论上是可以开在隧道顶端而不会掉下来的,但那只是理论,不过就这个数值来看,可以预期这台车确实是狠角色。
至于悬吊系统就是Pagani最擅长的项目,累积30多年经验,将每个零部件造得就像是艺术品般的锻造铝合金,确实承接起对抗惯性与重力的工作,全球限量30部,每部定价260万欧元起跳的Huayra R同样比照,也就是说它无法开上一般道路。
所以车辆规范所要求的项目如噪音、油耗或废弃排放一概,空气力学、底盘、轻量化及动力系统的组合可以造就多快,而我们在Huayra R身上看到的除了全新空力套件,有几个地方更采用有别于过往的突破性设计手法,第一个就是车门,原本垂直往上拉起的鸥翼式车门改为蝴蝶门。
出现在原型车上的典型赛车大尾翼到了量产版身上改为类,另外,车顶上方的进气口背部也加了垂直鳍片,这些都成为Huayra R的特征所在,不过最让大家好奇的还是那具全新开发的V12自然进气。
这具名为Pagani V12-R的赛车用引擎委由H,这家公司就是最早成立AMG的两位创办人之一在公司授,主要承接AMG参加DTM与GT赛事营运及赛车开发工,这具自然进气6.0升V12引擎在8250rpm可输,500-8。
300rpm峰值扭力,最高工作转速达9,000rpm,搭配赛车用六速序列自手排,工作寿命为行驶10,000公里需进行大保养的同时,更因应Pagani对性能方面的需求,整具引擎的重量只有198公斤。
排气系统更特别为了展现V12的声威,采用航太材质的Inconel 625/718 al,另外并辅以陶瓷涂装,如此高感就是要让每一位车主坐进车内催动转速时,可以享受铺天盖地的终极感官体验,哦。
对了,即便如此Huayra R依旧符合了FIA对赛车噪音,车舱内部的图片虽未涵盖在这次的资料匣之中,而且厂方新闻稿中的描述并不多,只注重在功能性方面,例如动力系统的模式选项及方向排手排拨片及控制钮等功,但可以预期跟一般的Huayra相差不远。
在动力之外,HWA实际上在车身轻量化方面也提供许多帮助,例如专属的碳纤维单体车舱便加入最新的Carbo-T,提高刚性且减轻重量的同时,还具备更好地防护效果,前悬吊副大梁以铬钼合金(chrome-molybd,后悬吊结构则与动力系统融合,借此将整部车的重量降至只有1050公斤。
各位还记得2009年的Zonda R吗,那令人起鸡皮疙瘩的V12赛车引擎咆哮声,或许半夜让小孩听到可能会把他吓哭,但对车迷来说却像只应天上有的天籁,直接取自AMG专为赛车打造的V12引擎,还有全面强化的赛道空力套件,加上只限量10部与每部高达200万欧元起跳的身价。
这台车就像传说中的神兽般太不真实,如今,它的继任者在12年后的此刻现身了,看到这里,虽然我们都清楚Huayra R现身国内的几率可以说,但至少在电力大军全面接管道路之前,对死忠的超跑迷来说,又多了一个可以说嘴的对象。
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