作者：姚讯杰, 朱言言, 韩曦, 杨俊伟, 陈龙, 王馨仪, 王华明.
来源：中国激光, 2025, 52(4): 0402301.
掌握先进可靠的火箭发动机制造技术是我国建设成为航天强国的重要标志之一。发动机燃烧室内壁一侧需接触最高达5000℃的高温燃气，要求材料必须具备极佳的导热能力，多采用铜合金；另一侧为结构护套，要求材料在高温下提供良好的机械性能，镍基高温合金是主要的选择。
单一金属材料难以满足液氧/甲烷火箭发动机燃烧室对服役温度与压力的需求，而目前铜合金-镍基高温合金异种金属材料传统制备技术（如旋压+电镀、气相沉积、粉末冶金法等）虽较为成熟，但其周期长、难制备形状复杂的高精度零件，难以应用于新一代火箭发动机燃烧室。
增材制造通过把零件三维建模逐层切片，自下而上堆积叠加实现无模、快速、数字化制造，适合复杂零件结构的制造，为异种金属的制备提供了新思路。面对燃烧室高温高压工况及减重需求的难题，采用具有密排沟槽再生冷却流道的铜合金[如CuCrZr合金，高强、高耐磨、高导热(330W/(m.K) ]作为燃烧室内壁，在其表面通过激光定向能量沉积技术成形镍基高温合金[如GH4169合金，良好的高温强度和疲劳寿命、耐腐蚀、抗蠕变性能]外壁，所制备的铜合金内壁+镍基高温合金外壁结构既能够将燃烧室热量快速导出又满足强度及减重需求，实现“在正确的位置打印正确的材料”和“为独特的功能打印独特的结构”。
目前的主要难题在于铜合金激光反射率高、导热率高及铜镍两合金物理性能差异过大，难以实现无缺陷冶金结合及稳定工艺制造。
创新工作
围绕激光定向能量沉积工艺制备无缺陷铜-镍异种金属的问题，北京航空航天大学王华明院士团队提出在表面预处理后的CuCrZr铜合金基体上激光定向能量沉积GH4169的工艺及界面组织性能调控，开发了先表面预处理再增材制造的工艺新方法，解决了铜合金高反射率以及界面冶金缺陷问题，阐明了CuCrZr-GH4169异种金属增材制造界面晶粒形貌、组织、成分以及其对于力学性能的影响。
研究选取了热喷涂、冷喷涂、电镀、物理气相沉积、表面铺粉5种常见的表面预处理工艺对CuCrZr合金表面进行预处理，然后选取不同工艺参数，在预处理后的CuCrZr基板上进行GH4169合金单道熔覆沉积试验，研究铜合金表面预处理和增材制造工艺参数对铜-镍异种金属结合区的影响，探究并选取一种稳定可行的表面预处理+增材制造铜-镍异种金属工艺，制备的CuCrZr-GH4169异种金属块状试样并研究其结合区显微组织及室温拉伸性能，如图 1所示。
图1（a）CuCrZr基板激光定向能量沉积GH4169示意图；（b）表面预处理示意图；(c) CuCrZr-GH4169异种金属试样；（d）拉伸及组织取样示意图
研究发现，热喷涂工艺制备的GH4169合金涂层能够作为优选工艺实现铜合金与镍基高温合金之间的无缺陷结合且熔道稳定，冷喷涂工艺制备的GH4169合金涂层试验结果不如热喷涂，而采用物理气相沉积(PVD)、电镀、表面铺粉工艺表面预处理后再进行单道沉积的界面存在局部未熔合、微裂纹差等缺陷。对于铜基板热喷涂表面预处理工艺，当表面GH4169涂层厚度达到50~150 μm时，在几种工艺条件下，均能有效避免界面缺陷以及成形困难等难题；对热喷涂试样的单道熔覆试样界面的主要参数进行对比分析（如图 2所示）后，选择最优工艺参数制备CuCrZr-GH4169异种金属试样。
图2 单道熔覆试样的截面参数。（a）单道熔覆截面主要参数示意图；（b）热喷涂预处理试验单道熔覆截面主要参数对比雷达图
后续工作
团队后续将开展CuCrZr-GH4169异种金属协同热处理组织和力学性能调控研究，探究协同热处理界面过渡区力学行为特征，致力于实现铜/镍异种金属复杂结构高性能高质量增材制造。
课题组介绍
北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室王华明院士团队，始终瞄准先进材料制备科学与先进成形制造技术国际前沿发展方向，面向国家重大装备对高性能金属结构新材料及先进制备成形制造技术的战略需求，“产教”融合、“产学研”紧密结合，致力于重大装备钛合金、合金钢、高温合金、难熔及高熵合金等高性能金属结构新材料及其大型关键金属构件增材制造新原理、新工艺、新装备、新材料、新结构等方面的前沿基础科学研究、原创核心关键技术研发、工程化应用基础研究和高层次创新人才培养。
通信作者简介
朱言言，男，副研究员，博士生导师，现任北京航空航天大学材料科学与工程学院增材制造中心教师。在大型金属构件增材制造国家工程实验室主要从事高强韧钛合金、高熵合金、梯度材料等高性能金属结构材料增材制造技术研究。获评首届国家博士后创新人才、北航卓越百人和青年拔尖计划。主持和参研国家自然基金、国家重点研发计划、北京市科技计划、型号攻关等项目10余项。发表SCI论文30余篇、申请专利10余项。
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