金属增材制造技术在液体火箭发动机推力室制造中的应用与展望

随着世界各国对空间探索的不断深入，液体火箭发动机作为实现空间有效载荷的重要手段，其应用需求不断增加。随着新型材料、新工艺的发展，液体火箭发动机推力室采用的高性能钛合金、铝合金、镁合金等金属材料在满足性能要求的前提下，更趋向于轻量化，而随着 3D 打印技术的发展，金属增材制造技术以其高精度、高效率等优势越来越多地应用于液体火箭发动机推力室的制造中。

一、发动机推力室常用材料

（一）常用材料

1. 镍基合金

镍基合金因其优良的高温强度、抗腐蚀性和加工性能，在推力室制造中得到了广泛应用。其中，一些特定成分的镍基合金能够承受极高的温度和压力，是推力室制造的首选材料。

2. 钛合金

钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等优点，因此在推力室的某些部件制造中也有所应用。特别是在需要减轻重量的场合，钛合金的优势更为明显。

3. 陶瓷材料

陶瓷材料具有极高的耐高温性能、抗腐蚀性和机械强度，因此在推力室的某些关键部位，如喷嘴、燃烧室等，常采用陶瓷材料。

（二）材料特性

1. 镍基合金：具有优良的高温强度和抗腐蚀性，可承受极高的温度和压力。此外，镍基合金还具有良好的加工性能，便于制造复杂形状的部件。

2. 钛合金：密度低，重量轻，同时具有较高的强度和耐腐蚀性。在需要减轻重量的场合，钛合金具有明显的优势。

3. 陶瓷材料：具有极高的耐高温性能、抗腐蚀性和机械强度。然而，陶瓷材料的加工难度较大，成本较高。此外，陶瓷材料在受到冲击时易碎，需注意安全性能。

二、金属增材制造技术在液体火箭发动机推力室制造中的应用

（一）复杂结构制造

液体火箭发动机推力室的结构一般包括流道、压气机叶片、燃烧室、推力室壳体和燃烧室喷管组等，其中流道结构较为复杂，一般有上下流道和多个小流道。目前国内应用较多的流道结构形式主要有锥形流道、圆形流道、十字形流道以及直通式通道。

锥形流道是一种比较常见的流道结构，主要由锥形喷嘴和水平轴构成。锥形喷嘴通过其内部的金属流道截面积改变而产生气流，这种气体流动是通过喷嘴底部的环形凹面来实现的，其作用是改变气流速度。由于环形凹面内有一个锥形喷嘴，所以它可看作是一个小的“空气管道”，可以通过控制气体流速来控制气流压力。在实际应用中，锥形流道的主要功能是调节流速来调节喷管出口的气体压力。

（二）材料优化

液体火箭发动机推力室与火箭其他部件不同，其在工作过程中会受到复杂多变的载荷作用，且其所处环境高温、高压，对发动机部件的强度、刚度、疲劳性能以及耐腐蚀性能等有较高要求。因此，设计和制造高性能的推进剂显得尤为重要，而作为推进剂的载体——推进剂流道部件在推进剂流动过程中起着至关重要的作用。

因此，推力室在设计过程中，不仅要满足强度、刚度和疲劳等要求，还应满足耐腐蚀、耐磨等要求。随着近年来航天事业的发展，对推进剂流道部件的材料性能也提出了更高的要求。传统铝合金已无法满足推力室对轻量化、长寿命和耐腐蚀等要求。为了满足这些要求，采用增材制造技术设计并制造高性能的铝合金材料是实现固体火箭发动机推力室轻量化和长寿命的重要手段。

（三）定制化生产

以钛合金为代表的高强度材料在航天领域被广泛应用，但其高昂的价格和难以规模化生产等限制了其进一步的发展。而金属增材制造技术具有低成本、高效率、短周期等优势，正被越来越多地应用于航天领域。目前，金属增材制造技术主要用于生产形状复杂、尺寸较小的零部件，以满足航天领域对零部件小型化和定制化的需求。在航天领域，可以根据不同任务需求选择不同增材制造方法，以达到优化设计、降低成本的目的。以钛合金为例，在设计方面，可以根据任务需要对零件进行三维建模，并完成后处理和优化。在制造方面，可以选择基于计算机辅助设计（CAD）和增材制造（AM）的方法进行零件成形。

三、金属增材制造技术在液体火箭发动机推力室制造中的展望

（一）技术进步

金属增材制造技术已被广泛应用于航空航天领域，但该技术在液体火箭发动机推力室制造中的应用仍处于起步阶段。目前，金属增材制造技术主要集中在多功能金属构件的设计和制造上，金属增材制造技术的优势还未充分发挥出来，金属增材制造技术还有待进一步发展。

针对当前液体火箭发动机推力室关键部件的复杂结构件、大尺寸、高性能铝合金、钛合金等金属材料的需求，可以结合增材制造技术的优势，开展液体火箭发动机推力室结构件及关键部件的复杂结构件增材制造。利用增材制造技术在减少零件加工次数和减少零件数量上的优势，探索并研发出满足发动机性能要求且成本可控的复杂结构件和大尺寸零件的高效制备工艺。通过对发动机推力室结构件及关键部件采用金属增材制造技术，能够有效提升发动机推力室性能，满足未来发动机发展需求。

（二）材料创新

近年来，3D 打印技术在我国的应用逐步扩大，并有了一定的发展。在增材制造技术的应用中，金属构件的表面质量与性能对其工作效率有着重要影响。通过分析金属增材制造技术在推力室制造中的应用现状，可以发现金属增材制造技术可以极大地改善零件表面质量与性能，并可实现零件结构与工艺的快速构建。但是，金属增材制造技术在推力室中应用时仍然存在一些问题，例如：（1）增材制造技术在推力室中的应用主要集中在镁合金构件上，对其他合金材料应用较少；（2）金属增材制造技术存在加工周期长、生产成本高等问题。因此，需要对金属增材制造技术进行深入研究，尤其是针对金属增材制造技术在航天领域应用中存在的问题，不断探索新材料、新工艺、新装备和新应用。本文就金属增材制造技术在液体火箭发动机推力室中的发展趋势进行了展望。

（三）个性化生产

随着空间探索的深入，对发动机性能提出了更高要求。在保证发动机性能的前提下，液体火箭发动机推力室对轻量化要求不断提高。目前，钛合金、铝合金、镁合金等金属材料在满足性能要求的前提下更趋向于轻量化。金属增材制造技术在液体火箭发动机推力室中的应用主要以增材制造工艺替代传统加工工艺，利用增材制造技术中的激光选区熔化（SLM）、金属 3D 打印、激光熔覆（SLS）等工艺，实现金属材料的个性化生产，从而达到轻量化要求。

然而，现有 SLM、激光熔覆等增材制造技术无法实现复杂结构件的个性化生产，而增材制造技术中的激光选区熔化（SLM）、金属 3D 打印等技术具有工艺适应性强、生产效率高等优点，因此对实现复杂结构件的个性化生产具有较大优势。另外，由于液体火箭发动机推力室结构复杂，零件数量巨大，采用传统加工方法难以实现批量化生产。

结论：金属增材制造技术在液体火箭发动机推力室制造中具有重要的应用价值。随着技术的不断进步和材料的创新，其在推力室制造中的应用将更加广泛。未来，金属增材制造技术将为液体火箭发动机的制造带来更多的创新和突破。

参考文献：

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