火箭喷嘴是液体火箭发动机中最关键的部件之一。它不仅要承受超过3000摄氏度的燃气冲刷，还要在高温高压的极端条件下保持结构完整性和尺寸稳定性。长期以来，火箭喷嘴的制造依赖复杂的锻造、机加工和焊接工艺，生产周期长达数月，成本高居不下。英国国家制造研究所苏格兰（NMIS）的工程师团队近日公布了一项重要进展，他们成功验证了一条从材料开发到成品验证的完整铜火箭喷嘴增材制造技术路径。
铜合金火箭喷嘴的增材制造挑战
火箭喷嘴通常采用铜锆合金或铜铬铌合金制造，这些材料在高温下具有优异的导热性能和热稳定性。在火箭发动机工作过程中，高温燃气需要通过喷嘴壁的导热作用快速将热量传递给内部的冷却通道，由流经通道的推进剂带走热量。这种再生冷却机制要求喷嘴壁材料的导热性能足够高，以保证喷嘴结构能够承受高温燃气的长期冲刷而不发生熔化或结构破坏。
铜合金的增材制造面临着几个突出的技术挑战。首先，铜对近红外波长激光的反射率极高（超过90%），粉末床熔融工艺需要极高功率的激光才能实现铜粉末的充分熔化。其次，铜合金在快速凝固过程中容易产生气孔和热裂纹，需要精确控制工艺参数来获得致密的微观组织。此外，火箭喷嘴的内部冷却通道结构复杂，传统制造工艺需要在实心毛坯上通过机加工钻孔形成通道，加工难度极大。
NMIS团队从2023年起就开始了铜合金增材制造的系统性研究。经过多轮工艺参数优化，团队确定了一组针对铜锆合金的打印窗口参数，包括激光功率、扫描速度、层厚和扫描策略的最佳组合。在新工艺下，打印出的铜合金样品致密度超过了99.8%，热导率达到了锻态材料的95%以上。
从粉末到成品的全链条验证
NMIS团队的技术路径覆盖了从材料制备到成品质检的全链条环节。在材料端，团队与专业的金属粉末供应商合作，优化了铜锆合金粉末的粒径分布和球形度，确保粉末具备良好的铺展性和流动性。在打印端，团队使用高功率多激光粉末床熔融设备，通过优化的扫描策略和支撑结构设计，成功打印出了包含完整内部冷却通道的缩比火箭喷嘴。
打印完成后的后处理环节是整个技术路径的关键。铜合金在打印态下的组织存在残余应力和亚稳态相，需要通过适当的热处理工艺来消除应力、稳定组织并优化力学性能。NMIS团队通过系统的热处理工艺实验，确定了最佳的固溶和时效处理温度与时间组合。经过热处理的喷嘴样品，显微组织均匀，晶粒尺寸细小，室温拉伸强度和高温持久性能均达到了火箭喷嘴的设计要求。
在质量验证环节，团队对3D打印的火箭喷嘴进行了全面的无损检测和性能测试。CT扫描结果显示，喷嘴内部冷却通道的几何尺寸与设计模型高度一致，没有发现气孔、裂纹或层间分离等缺陷。热循环测试后，喷嘴的表面状态和内部结构均保持完好，没有出现开裂或变形。
对航天制造业的影响
NMIS验证的铜火箭喷嘴增材制造全路径具有重要的产业价值。按保守估算，与传统锻造+机加工工艺相比，3D打印将火箭喷嘴的制造成本降低40%以上，交付周期缩短60%。更重要的是，增材制造带来的设计自由度使得工程师可以优化冷却通道的布局和截面形状，进一步提升喷嘴的冷却效率和使用寿命。
在商业航天快速发展的背景下，低成本、短周期的火箭喷嘴制造技术具有广阔的市场空间。目前全球正在活跃开发的液体火箭发动机型号超过50种，其中大多数采用分级燃烧或燃气发生器循环，都需要高性能的铜合金喷嘴。NMIS团队表示，该技术路径已经具备了向工业化量产过渡的条件，正在与多家商业航天企业商讨技术转移和产业化合作事宜。
来源：3DPrint.com