科研人员利用3D打印技术打造液体火箭发动机，推动高级太空应用

2023年6月28日，南极熊获悉，一群就读于圣地亚哥州立大学 (SDSU)的工程专业学生正在开发液体火箭发动机，他们的目标是将其发射到被公认为太空边界的卡门线。实现这一目标，他们选择了SLM Solutions的双激光SLM 280 2.0金属增材制造系统，并采用Inconel 718材料进行制造。

△3D打印液体火箭发动机组件，将一百多个零件整合为五个

SLM Solutions的专业团队在开发过程中提供了指导，成功将发动机的零部件数量从100多个精简至仅有五个。这一创新产品将在密歇根州威克瑟姆的SLM北美应用中心进行制造，并在俄亥俄州的Quintus Technologies应用中心进行热等静压（HIP）处理，并通过Avonix Imaging进行CT扫描以进行质量测试。

据悉，发动机的制作过程已经进行了约一年时间，其中涉及大量的设计审查、原型制作和测试程序。目标是打造一个由两部分外罩、两部分内衬和喷油器组成的最佳发动机系统。这些零部件采用Inconel 718粉末在氩气环境中进行30微米厚度的3D打印，并在1066°C的氩气环境中进行1.5小时的脱粉和应力消除。最后，采用线切割技术将零部件与构建板分离。

△采用Inconel 718 3D打印的火箭室

复杂几何形状和镂空结构的部件

在整个项目中，3D打印制造技术使团队能够快速原型化设计理念，并制造出具有复杂几何形状和镂空结构的部件。所有这些优势使得发动机能够以更轻的重量满足性能规格。然而，采用该技术也面临一些挑战。

在对金属粉末床熔融打印工艺进行优化设计之后，该团队发现材料中的晶粒不是均匀的等轴晶粒，而是呈柱状沿着构建方向生长。

晶粒的尺寸对金属材料的机械性能非常重要，因为霍尔-佩奇方程表明在室温下，屈服应力与晶粒平均直径的平方根成反比。因此，晶粒越小，材料越强韧。然而，这种晶粒生长导致材料的机械性能在不同方向上有所差异，因此团队必须采取措施来减少金属缺陷并提高抗疲劳性能。

当金属暴露在高于再结晶温度的温度下时，晶粒尺寸会增大。温度越高，暴露时间越长，晶粒生长得越多。通常，Inconel 718材料的热等静压（HIP）处理温度为1163-1200°C，处理时间为4小时。然而，一些研究表明这些参数会导致晶粒大量生长，并对疲劳性能产生不利影响。

△SLM 280 2.0金属3D打印制造系统

研究结论

通过降低温度或暴露时间，可以解决增材制造材料中晶粒生长的问题。Quintus Technologies与瑞典西大学的合作研究表明，在比传统温度更低的条件下进行热等静压（HIP）处理可以消除缺陷并最大限度地减少晶粒粗化。

他们在1120°C至1185°C的极端条件下测试了Inconel 718样品的HIP处理，结果显示在这个温度范围内孔隙消除效果良好，较低温度下孔隙率从0.15 vol.%降低至0.01-0.02 vol.%。此外，1185°C下的粉末床熔合样品显示明显的晶粒生长，而1120°C下的热等静压处理使晶粒明显更细。进一步测试还表明，将1120°C的HIP处理与固溶处理和缩短的两步时效工艺相结合，甚至可以减小晶粒尺寸。

△HIP技术彻底改变了航空航天和医疗植入物行业的3D生产

最终缩短处理时间和提高生产效率

Quintus Technologies利用增材制造中的Inconel 718的热等静压（HIP）知识，正在应用优化的HIP循环来实现微观结构的均匀化，并最大限度地减少晶粒生长，同时追求完全致密的结构。他们在Quintus应用中心对火箭发动机的较小3D打印组件进行HIP处理，采用温度为1120°C、压力为100MPa的浸泡，持续处理四个小时。该循环还利用URC（Ultra-Rapid Cooling）功能的快速冷却HIP装置，以最大限度地缩短处理时间，提高生产效率。

随后，3D打印的液体火箭发动机被送到Avonix Imaging进行计算机断层扫描。这个项目需要进行3D锥形束扫描和2D线性阵列扫描，前者用于捕获数千张射线照片，以在单次扫描中生成大型三维体积数据，后者用于克服锥形束CT扫描可能会妨碍缺陷检测的问题。

Avonix采用了450KV微焦源、61.5微米体素尺寸和4mm铜过滤器的锥形束扫描方法对火箭发动机进行扫描，过程持续45分钟，捕获了3000个投影图像。在打印零件中没有发现孔隙的迹象，随后Avonix采用线性方法验证了研究结果。对于第二次扫描过程，使用了450KV微焦点源、100微米体素尺寸和2mm铜过滤器。每片处理时间为45秒，共捕获了1600多个Z切片，总计耗时19小时。

在此过程结束时，SLM Solutions、Quintus和Avonix将向学生返还火箭发动机，这些发动机的零件数量减少，复杂性提高，疲劳强度增加，机械性能的变化更小。合作伙伴还强调了当前热等静压（HIP）标准对于3D打印Inconel 718的局限性，因为该标准最初是为铸件制造而设计的，而现在已被应用到增材制造领域。然而，在经过质量保证测试的支持下，他们进一步加强了金属增材制造与HIP的结合，以在航天和航空领域实现高级应用，同时确保质量不受损。