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科研人員利用3D打印技術打造液體火箭發動機

魔猴君行業資訊 513天前

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2023年6月28日，魔猴網了解到，一群就讀于圣地亞哥州立大學 (SDSU)的工程專業學生正在開發液體火箭發動機，他們的目標是將其發射到被公認為太空邊界的卡門線。實現這一目標，他們選擇了SLM Solutions的雙激光SLM 280 2.0金屬增材制造系統，并采用Inconel 718材料進行制造。

△3D打印液體火箭發動機組件，將一百多個零件整合為五個

SLM Solutions的專業團隊在開發過程中提供了指導，成功將發動機的零部件數量從100多個精簡至僅有五個。這一創新產品將在密歇根州威克瑟姆的SLM北美應用中心進行制造，并在俄亥俄州的Quintus Technologies應用中心進行熱等靜壓（HIP）處理，并通過Avonix Imaging進行CT掃描以進行質量測試。

據悉，發動機的制作過程已經進行了約一年時間，其中涉及大量的設計審查、原型制作和測試程序。目標是打造一個由兩部分外罩、兩部分內襯和噴油器組成的最佳發動機系統。這些零部件采用Inconel 718粉末在氬氣環境中進行30微米厚度的3D打印，并在1066°C的氬氣環境中進行1.5小時的脫粉和應力消除。最后，采用線切割技術將零部件與構建板分離。

△采用Inconel 718 3D打印的火箭室

復雜幾何形狀和鏤空結構的部件

在整個項目中，3D打印制造技術使團隊能夠快速原型化設計理念，并制造出具有復雜幾何形狀和鏤空結構的部件。所有這些優勢使得發動機能夠以更輕的重量滿足性能規格。然而，采用該技術也面臨一些挑戰。

在對金屬粉末床熔融打印工藝進行優化設計之后，該團隊發現材料中的晶粒不是均勻的等軸晶粒，而是呈柱狀沿著構建方向生長。

晶粒的尺寸對金屬材料的機械性能非常重要，因為霍爾-佩奇方程表明在室溫下，屈服應力與晶粒平均直徑的平方根成反比。因此，晶粒越小，材料越強韌。然而，這種晶粒生長導致材料的機械性能在不同方向上有所差異，因此團隊必須采取措施來減少金屬缺陷并提高抗疲勞性能。

當金屬暴露在高于再結晶溫度的溫度下時，晶粒尺寸會增大。溫度越高，暴露時間越長，晶粒生長得越多。通常，Inconel 718材料的熱等靜壓（HIP）處理溫度為1163-1200°C，處理時間為4小時。然而，一些研究表明這些參數會導致晶粒大量生長，并對疲勞性能產生不利影響。

△SLM 280 2.0金屬3D打印制造系統

研究結論

通過降低溫度或暴露時間，可以解決增材制造材料中晶粒生長的問題。Quintus Technologies與瑞典西大學的合作研究表明，在比傳統溫度更低的條件下進行熱等靜壓（HIP）處理可以消除缺陷并最大限度地減少晶粒粗化。

他們在1120°C至1185°C的極端條件下測試了Inconel 718樣品的HIP處理，結果顯示在這個溫度范圍內孔隙消除效果良好，較低溫度下孔隙率從0.15 vol.%降低至0.01-0.02 vol.%。此外，1185°C下的粉末床熔合樣品顯示明顯的晶粒生長，而1120°C下的熱等靜壓處理使晶粒明顯更細。進一步測試還表明，將1120°C的HIP處理與固溶處理和縮短的兩步時效工藝相結合，甚至可以減小晶粒尺寸。

△HIP技術徹底改變了航空航天和醫療植入物行業的3D生產

最終縮短處理時間和提高生產效率

Quintus Technologies利用增材制造中的Inconel 718的熱等靜壓（HIP）知識，正在應用優化的HIP循環來實現微觀結構的均勻化，并最大限度地減少晶粒生長，同時追求完全致密的結構。他們在Quintus應用中心對火箭發動機的較小3D打印組件進行HIP處理，采用溫度為1120°C、壓力為100MPa的浸泡，持續處理四個小時。該循環還利用URC（Ultra-Rapid Cooling）功能的快速冷卻HIP裝置，以最大限度地縮短處理時間，提高生產效率。

隨后，3D打印的液體火箭發動機被送到Avonix Imaging進行計算機斷層掃描。這個項目需要進行3D錐形束掃描和2D線性陣列掃描，前者用于捕獲數千張射線照片，以在單次掃描中生成大型三維體積數據，后者用于克服錐形束CT掃描可能會妨礙缺陷檢測的問題。

Avonix采用了450KV微焦源、61.5微米體素尺寸和4mm銅過濾器的錐形束掃描方法對火箭發動機進行掃描，過程持續45分鐘，捕獲了3000個投影圖像。在打印零件中沒有發現孔隙的跡象，隨后Avonix采用線性方法驗證了研究結果。對于第二次掃描過程，使用了450KV微焦點源、100微米體素尺寸和2mm銅過濾器。每片處理時間為45秒，共捕獲了1600多個Z切片，總計耗時19小時。

在此過程結束時，SLM Solutions、Quintus和Avonix將向學生返還火箭發動機，這些發動機的零件數量減少，復雜性提高，疲勞強度增加，機械性能的變化更小。合作伙伴還強調了當前熱等靜壓（HIP）標準對于3D打印Inconel 718的局限性，因為該標準最初是為鑄件制造而設計的，而現在已被應用到增材制造領域。然而，在經過質量保證測試的支持下，他們進一步加強了金屬增材制造與HIP的結合，以在航天和航空領域實現高級應用，同時確保質量不受損。