斯坦陵布什大学+NASA综述丨航空航天金属增材制造(三): 四大独特应用

2.3. 热力装置

采用AM（增材制造）制造的先进传热装置在减少制造时间、改善热交换器(HXs)、散热器(HSs)和热管(HPs)在生产复杂内部几何形状方面的性能方面有很大的潜力。热交换器对于航空航天领域部件的应用（如飞机和宇宙飞船发动机的性能）至关重要。散热器通常用于飞机和航天器电子方面。这两者的传统制造技术通常分别是钎焊技术和数控铣削技术，然而这些技术的缺陷也非常明显。虽然钎焊是一种有效的制造方法，但对热交换器它通常包含大量耗时的工作、实现合理间隙的高公差并且通常需要昂贵的材料，而这种材料增加了组件的成本。此外，散热器的数控铣削技术则受到其复杂性的限制。

因为这些原因，AM技术正被用于两者趋利避害，既提升复杂性、也增强灵活性——实现性能提升，使设计者能够提高比表面积（表面积-体积比）。此外，钎焊技术通常限于那些与制造流程相容的材料，但AM则允许制造设备使用更多种材料。Gobetz等人进行了一项证明在航空航天应用的热交换器中使用AM技术可行性的研究，力图实现更直接的制造，而不是目前热交换应用中的传统制造和组装技术。

Gradl完成的一个案例研究强调了AM在飞机热力交换的典型应用中的优势。该研究以飞机机油冷却器为例，比较了AM相对于传统制造方法在热交换部件中的功能。所述部件是现有常规制造的热交换器的直接**品。利用激光粉末床熔融 (LPBF) 技术，用铸造铝合金（AlSi10Mg）制造该组件。尽管AM制造工艺在组件中产生了一些缺陷，但在测试中，其性能明显更优，证明了AM热交换器在实际应用中的巨大潜力。

更值得注意的是，通用电气已经将AM 热交换纳入了他们目前正在运行的最新GE9X发动机系列中，将铝合金(F357)应用在LPBF机器上制造而成。热交换器作为发动机的重要部件，通过AM制造技术可减小尺寸、减轻质量、降低成本和提高耐用性。

美国国家航空航天局(NASA)最近的火星任务是向火星运送另一辆火星车。这艘名为“毅力号”的火星车的任务是寻找远古生命的迹象，并收集浮土和岩石样本，并在未来返回地球。该火星车于2021年2月登陆火星，搭载了11个采用金属AM技术制造的部件。在这11个组件中，有6个是在莫邪(火星氧气原位资源利用实验的简称)中使用的AM制造的热交换器。这些热交换器暴露在火星大气中，必须长时间承受超过800摄氏度的超高温。为了实现这一目标，镍基高温合金被用于热交换器结构。与使用传统技术制造相比，这简化并提高了莫邪系统的性能。除了6个热交换器之外，毅力号还在它的X射线岩石化学行星仪器（PIXL）上安装了5个其他AM部件。为了减轻PIXL的质量，AM被用于制造双层钛壳、安装框架和两个支撑支柱，与传统方法制造的部件相比，所有这些部件的质量都减少了2/3或3/4。

▲ 图2 PIXL的外壳，前半部分的双层钛壳

由于与传统制造方法相比，AM为组件提供了前所未有的复杂性，因此在充分优化热交换器(HXs)和散热器(HSs)等器件的设计能力方面往往存在局限性。通过热TO（拓扑优化，topologyoptimization，以下简称TO)的形式应用AM技术，优化工具在热交换器和散热器中的应用越来越受到关注。deBock 等人的一篇论文展示了在散热器应用中使用混合分析热TO (HAATO)的潜在性能。尽管这些优化技术仍处于初级阶段，但通过增加其几何复杂性，它们有可能大幅提高HSs和HXs的性能。图3显示了他们的AM HX设计令人难以置信的内部复杂性，旨在用于赛车运动。高度复杂的结构针对大表面积进行了优化，增强了热交换。虽然这不是航空航天的例子，但航空航天部件的原理和优点是相同的。

▲图3 Conflux F1换热器的应用

内部冷却通道的例子存在于内燃机的气缸体中和飞机的高压涡轮叶片中。这些集成系统通常受到传统制造技术的限制，例如连接、钎焊、铸造和数控铣削工艺。AM技术为内部冷却通道和微晶格结构以及相关设计的选择提供了更多的复杂性。小型无人机设计和制造商Cobra Aero试图利用AM、优化技术和晶格结构来改进他们的无人机发动机，实现轻质减量和优化传热特性。使用AM，他们生产了一个利用多场耦合模拟（multi-physics simulations ）气缸体，该模拟考虑了温度场、流场、磁场、应力场和压力因素，最终使优化设计的气缸体比通过传统制造方法实现的设计更具热效率。

▲图4 Cobra Aero AM和晶格气缸体设计

热气防冰是商用飞机上广泛使用的防冰系统，可限制飞机机翼前缘结冰。Bici等人探索了晶格结构在多功能面板中的应用。该设计侧重于通过AM技术制造的单件翼型，具有内部晶格结构，将热空气分配到翼型的前缘，以防止结冰。此外，该设计通过使用网格结构减少前缘的质量来减轻结构应力。

HiETA是一家总部位于英国的工程公司，使用激光粉末床熔融等AM技术为航空航天市场生产各种产品，特别关注热力交换和冷却设备。他们使用AM技术生产内部冷却的径流式涡轮机叶轮和外壳。涡轮叶轮由CM247 LC（镍基沉淀硬化型定向凝固柱晶高温合金,使用温度在1050℃以下）或Inconel铬镍铁合金合金制成，具有复杂的内部冷却通道，可在降低部件质量的同时提高涡轮发动机的工作温度。

▲图5 HiETA热交换器

2.4. 液体燃料火箭部件

过去20年来，以空间探索、科学研究、通信卫星、地球观测卫星、国际空间站长期载人以及其他任务为形式的天基活动迅速增加。所有这些活动都得到了美国航天局NASA阿耳忒弥斯Artemis计划和许多进入轨道发射市场的私营公司的帮助。随着发射供应商之间的竞争逐渐激烈，创新也激增，先进的制造技术（如AM）在空间发射系统和卫星中被广泛使用。卫星、空间站和航天发射系统号称是最昂贵的人造物体，仅国际空间站就耗资1600亿美元，且这些花费还在不断增加。与传统制造方法相比，AM在低成本方面具有明显优势，有可能使天基活动更容易。

由于发射系统提供了进入空间的基础设施，这些系统的效率对于降低天基系统的成本至关重要。这些系统的核心则是液体燃料火箭发动机——广泛应用于大多数运载火箭的应用中。通过在更现代的火箭发射系统中使用AM技术可以更好的利用复杂的系统从而提高系统性能。非官方报告显示，正在开发的SpaceX Raptor发动机包含高达40%的AM制造部件，空间发射系统被证明是AM制造部件的主要应用之一。

火箭发动机上的喷射器系统通常由数百个单独制造的部件组成，然后钎焊或焊接成单个喷射头（图6）。通过传统制造技术制造这些喷射器组件通常耗时且昂贵。但AM技术可以用来大幅度降**造这些部件所需的成本和时间。阿丽亚娜6号定于2020年发射，是阿丽亚娜集团生产的最新火箭，作为其RAMS(Reliabilit可靠性、y,Availability可用性、Maintainability 可维护性和Safety安全性)准则的一部分，他们正在寻找创新方案。为了在阿丽亚娜5的基础上再降低40-50%的生产成本以及提升性能，整个项目采用了AM技术。该喷射器芯在超快速四激光器增材制造系统 （EOS M400–4）上利用 Inconel 718生产，可快速缩短生产时间。

▲图6 阿丽亚娜6号火箭的注射器芯

哥本哈根亚轨道公司是一家完全众筹的非营利航天公司，一直在评估将AM组件应用到生产流程中以降低成本的可行性。他们最新的AM案例研究——同轴涡流注射器的涡流器，是使用瑞典工业3D打印机制造商Digital Metal公司专有的粘合剂喷射（binder jetting ）金属增材制造技术制造的。无独有偶，德国航空航天中心完成的一个项目也涉及航空航天领域的同轴注射器应用。该项目基于小型卫星运载火箭(SSLV)计划，旨在降低小型卫星生产商的轨道成本。在使用LPBF技术制造后，该注射器成功通过测试，显示出良好的性能特征，并为德国航天中心的进一步开发铺平了道路。美国国家航空航天局还展示并报告了数百次液体火箭发动机应用中各种燃料的成功喷射器热点火试验。

在NASA位于阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center-MSFC)，火箭发动机部件的AM应用正在进行大量的研发。美国宇航局与Stratasys Direct Manufacturing公司合作，利用LPBF技术开发并测试了一种注射器系统。该注射器由Inconel 625制成，具有独特的流动性，只有通过AM技术才能实现。然后，MSFC继续制造和测试由75%的AM组件组成的演示火箭发动机。自2010年以来，NASA已经开发并测试了无数AM组件，例如铜合金(GRCop-42和GRCop-84)燃烧室、液氢和液氧燃料泵、J-2X上的维护端口盖以及带有一体式pogo z挡板的pogo蓄能器组件(图7)。其中一些部件将分别安装在即将面世的空间发射系统下的RS-25液体火箭发动机上。

▲图7 RS-25发动机上的pogo z挡板

美国火箭和导弹推进制造商Aerojet Rocketdyne也一直在评估AM在他们新的火箭发动机AR-1系列中的应用。AR-1旨在取代目前使用的俄罗斯制造的RD-180发动机，其预燃室采用AM方法。预燃室由Mondaloy——一种专有的耐燃镍基高温合金制造的，可以不再使用目前RD-180等富氧发动机上普遍使用的复杂金属涂层工艺。这不是Aerojet Rocketdyne使用AM技术制造和测试的第一个组件。早在2017年，该航天公司使用AM为其RL-10火箭发动机制造并测试了一个铜燃烧室，并制定了AM在空间应用中的重要标准。

阿丽亚娜（Arianne）集团最近制造并完成了全尺寸演示火箭发动机的热火试验，该发动机集成了AM制造的部件，采用了LPBF制造的喷头和燃烧室，分别使用镍基合金和不锈钢材料。作为阿丽亚娜6号开发计划的一部分，这些新的AM制造部件将于2022年搭载阿丽亚娜新一代火箭。

AM应用有时受限于基于L-PBF的机器的构建面积限制，这些机器只能生产最大构建体积的部件(单激光商业系统通常为300–600立方毫米，尽管更大的系统正在开发中)。在常规制造条件下建造的火箭燃料箱和飞机机身通常采用称为等网格薄结构设计（称为 Isogrid）分多部分进行制造，在此过程中会产生大量材料浪费，因为整个等网格设计通常使用铣削技术从较厚的原材料板上加工而成。由于原材料的高度浪费和大型火箭机身所需的长铅板原材料，这导致了该部件极其昂贵。

由于直接能量沉积技术(DED)不受尺寸的限制，较大的液体燃料火箭部件已经开始逐渐使用此技术。一个具体的应用领域是使用DED制造整个燃料箱。使用DED技术，有可能将整个火箭燃料箱印刷成单件或少得多的个件，材料浪费明显减少，所需工具也少得多，从而大大降低这些部件的成本。LockheedMartin公司最近为使用EB-DED(电子束直接能量沉积)建造的卫星燃料箱开发并测试了一种钛圆顶。直径为1.16米的圆顶用作目前正在生产的LM 2100卫星平台上的可变尺寸油箱的盖子。使用这些制造技术，该公司节省了宝贵的生产时间，同时显著减少了材料浪费。美国一航空航天公司——RelativitySpace公司计划使用一种专有合金的AM技术制造他们的整个Terran 1号火箭 (图8)。值得注意的是，该公司计划使用AW-DED建造直径为2米的两用燃料箱和机身，大大减少了材料浪费，并展示和地面测试了探路装置。由于使用这些方法生产的部件在理论上没有高度限制，因此该部件的整个燃料箱可能超过10米高。

▲图8 Relativity Space公司使用AM技术制造Terran 1号火箭

SpaceX在他们的猎鹰9号（Falcon 9）火箭上成功开发并发射了一个AM制造的主氧化剂阀后，继续开发用于他们的Dragon V2飞船的SuperDraco发动机系列。SuperDraco发动机用于任务关键的发射逃生系统，该系统旨在当飞船发射过程中发生紧急情况时，将宇航员运送到安全的地方。该系统采用Inconel合金制成的AM发动机舱，是载人宇宙飞船上重要AM部件的最早应用之一，载人宇宙飞船在Demo-2和 Crew-1 号任务中两次成功地将宇航员送入国际空间站。图9展示了组装好的Superdraco火箭发动机和在热火试验中测试台上的发动机。

▲图9 SpaceX应用AM的Superdraco发动机

使用AM技术制造主要发动机部件已经在总部位于加州的航空航天公司RocketLab得到了大规模应用。该公司是一家小型卫星发射提供商，自2013年以来，一直使用AM技术制造Rutherford火箭发动机上的所有主要部件。其特点是燃烧室、注射器、泵和主推进剂阀以及其他部件都是使用电子束粉末床融合 (EB-PBF) 技术制造的，迄今为止已经进行了18次测试、制造和发射。

燃烧室、喷嘴和喷射器组件通常使用多种材料和成千上万个部件制造，最近在单件组件的AM应用中备受“宠爱”。其中一个例子是Relativity Space公司制造的Aeon1号火箭发动机。即将在上文提到的 Terran1号运载火箭上发射，其特点是喷射器、点火器、燃烧室和喷嘴都是使用AM技术作为一个单一部件制造的。另一家总部设在纽约的发射公司，计划使用主要由AM制造的部件制造小型卫星发射器类中性能最高的火箭发动机。他们的火箭发动机“E-2”将是最大的单部件燃烧室、喷射器和喷嘴组件，全部采用L-PBF技术，由C18150(铜-铬-锆)合金制成

最近，美国宇航局一直在使用各种AM方法开发液体燃料火箭发动机部件的新材料和应用领域。这方面的突出例子是在美国航天局快速分析和制造推进(Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion-RAMPT)项目和空间发射系统(SLS)项目下的评估新材料的项目，分别是在美国航天局格伦研究中心(Glenn Research Center-GRC)和美国航天局MSFC开发的GRCop-42和美国航天局HR-1。图10 GRCop系列铜铬铌合金和铁镍NASA HR-1超级合金主要是为使用AM的火箭燃烧室和喷管应用而开发的。

▲图10 左：使用L-PBF GRCop-42的双金属7k耦合室，带有HR-1 DED集成喷嘴中：配有歧管右：使用L-PBF GRCop-42衬里和HR-1 DED夹套建造的双金属40k室

美国航天局还展示了大规模分布式发电的许多应用，特别是低压分布式发电。美国宇航局的重点是火箭发动机部件，如大型通道壁喷嘴和动力头部件。该喷嘴具有与燃烧室相似的设计，并结合了精细的特色通道，以消除组装过程中经常涉及的钎焊接头和大量需要的工具。美国宇航局MSFC和工业伙伴最近展示了一个65%比例的RS-25发动机整体通道LP-DED喷嘴，直径1.52米，高度1.78米。之前的喷嘴还在较小的规模上展示了低压-直流一体化通道特征，并完成了几次高占空比的热火试验。喷嘴证明了在全尺寸设计中将传统制造喷嘴的零件数量从1100多个减少到少于10个部件的潜力。其他组件已使用DED技术进行了演示，包括各种大型歧管和复杂组件，如RS-25动力头半壳。这些部件很多使用锻件或铸件制造，具有大量的机械加工操作，并且通过使用DED的短沉积时间显示出显著的成本和进度节约（图11）。

▲图11 美国国家航空航天局大规模DED的例子。A：直径为60英寸(1.52米)高度为70英寸(1.78米)的LP-DED整体通道喷管，美国宇航局在90天内沉积HR-1合金 B：使用因科镍合金718的动力头半壳，以及C：规模为RS-25的LP-DED JBK-75喷管(无通道)

最近，在火箭喷管部件中使用AM和晶格结构已被大量研究。推力室组件承受各种综合机械、热力和综合环境载荷，这给优化带来了困难。Cellcore和SLM Solutions之间的合作产生了一种利用L-PBF的综合推力室设计，以展示其在航空航天工业中的潜在应用。如图12所示，推力室在其壁上有一个结构晶格，也可作为发动机的冷却夹层。这款一体式引擎仅用了三天多的时间就在一台SLM 280打印机上生产出来了。因为该设计使用了 Inconel 718，这是一种特别难加工的材料，并且很难后处理，这种生产方法就最大程度地避免了昂贵的工具磨损，节省了相当多成本，同时产生了一种极其轻质的结构。该设计还采用了完全集成的喷射器，进一步减少了最终火箭设计的零件总数、降低了复杂性。虽然该设计展示了多个部件潜在集成的示例，但必须在完整的环境中很好地理解整体负载，以纳入拓扑优化和整个AM过程。

▲图12 Cellcore生产的有内部冷却通道地喷嘴

由于大多数火箭发动机再生冷却通道的复杂性，热力优化和结构优化技术在火箭发动机设计中的应用越来越受到关注。类似于TO的人工智能驱动设计软件的开发者Hyperganic使用自上而下的方法演示了概念火箭喷管的优化应用，将燃烧室、喷管和冷却通道等几个部件集成到一个单独的部件中，喷嘴使用金属AM技术印刷。图13这一原型设计是在EOS M400-4打印机上由Inconel 718制造的。喷嘴的外表面采用回转式最小表面晶格设计。这些晶格结构在自然界中是存在的，并且通常是自支撑的，在其表面上的任何点都具有零平均曲率的特征，使得应力在结构内的分布更加均匀。这些例子展示了一些潜力，但这些设计仍未在飞行部件中广泛测试或采用，目前仍处于设计和概念验证阶段。

原文链接：

Metal additive manufacturing in aerospace: A review, Material and Design

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008