液體火箭發(fā)動機推力室快速制造技術(shù)

羅 巍 張晗翌 矯 慧 隋 陽 丁新玲 王福德

液體火箭發(fā)動機推力室快速制造技術(shù)

羅 巍1張晗翌2矯 慧1隋 陽1丁新玲1王福德1

（1. 首都航天機械有限公司，北京 100076；2.中國運載火箭研究院空間物理重點實驗室，北京 100076）

總結(jié)分析了國外液體火箭發(fā)動機推力室的制造技術(shù)現(xiàn)狀，特別是銑槽式冷卻通道的結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)的發(fā)展，詳細介紹了目前正在研究的幾種冷卻通道快速制造技術(shù)，主要包括內(nèi)襯成形的同軸送粉激光沉積和電弧熔絲增材制造技術(shù)，加工冷卻通道的磨料水射流銑削技術(shù)，以及用于封合冷卻通道的激光熔絲、爆炸連接和液體冷噴涂技術(shù)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這些技術(shù)不僅可以快速成形大型再生冷卻推力室，而且可以大大減少原材料的使用，降低工藝復雜性，使發(fā)動機的制造周期和生產(chǎn)成本都有不同程度的下降。

冷卻通道；激光沉積；電弧增材；水射流加工；爆炸連接

1 引言

為滿足不斷發(fā)展的航天發(fā)射需要，提供持續(xù)和低成本的發(fā)射任務(wù)，需要為大型運載火箭的芯級和上面級研制大推力液體火箭發(fā)動機。這些發(fā)動機可通過改進傳統(tǒng)設(shè)計重新研制或升級原有發(fā)動機提高運載能力，也可以通過改進傳統(tǒng)發(fā)動機的制造技術(shù)降低成本。目前，各國航天機構(gòu)和發(fā)動機制造商都在積極開展發(fā)動機制造技術(shù)的改進與創(chuàng)新，希望在保持發(fā)動機高性能的同時，通過采用新型制造技術(shù)和設(shè)計方案，減少制造工序，減少檢測或改為較低成本的檢測，達到降低成本的目的。

國外開展的推力室快速制造技術(shù)中，以激光粉末床沉積和電弧熔絲增材制造技術(shù)為主，可大幅壓縮液體火箭發(fā)動機的制造周期與成本。美國馬歇爾航天飛行中心（MSFC）在其“低成本上面級推進（LCUSP）項目”中，采用激光粉末床沉積技術(shù)為11.3t推力的上面級發(fā)動機制造了GRCop-84銅材料燃燒室和噴管縮比件，并通過了點火試驗。證明這些快速制造技術(shù)對大型再生冷卻推力室極具潛力，但表面粗糙度、尺寸限制和強度等方面的不足還有待進一步改進[1]。文中大型冷卻通道結(jié)構(gòu)研究以噴管為主，高熱流燃燒室與再生冷卻噴管所使用的材料有很大的差別，但二者用于再生冷卻的銑槽結(jié)構(gòu)的許多制造技術(shù)類似，用于噴管冷卻通道的制造工藝，同樣也適用于燃燒室冷卻通道的制造。

2 銑槽式冷卻通道制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

液體火箭發(fā)動機推力室可將液體推進劑的化學能轉(zhuǎn)化為噴氣動能，并由此產(chǎn)生推力，是發(fā)動機的重要組成部件。推力室由噴注器、燃燒室和噴管等組成，其中燃燒室和噴管在運行過程中需要承受高溫熱流的燒蝕和沖刷，一般采取夾層結(jié)構(gòu)，通過再生冷卻的形式降低壁溫，防止結(jié)構(gòu)失效。目前常用的再生冷卻噴管通常分為：管壁結(jié)構(gòu)和銑槽結(jié)構(gòu)。管壁類結(jié)構(gòu)包括縱向管束式和螺旋管束式兩種，分別用于美國航天飛機主發(fā)動機（SSME）和歐空局火神/火神2發(fā)動機。管束式結(jié)構(gòu)的噴管零件數(shù)量多，工藝復雜，在重型運載火箭計劃中已被淘汰。與管壁式冷卻通道的噴管相比，銑槽式再生冷卻通道結(jié)構(gòu)的噴管制造工藝更穩(wěn)健，成本更低。

銑槽式冷卻通道結(jié)構(gòu)最先在俄羅斯得到應(yīng)用?；鸺l(fā)動機研制初期，俄羅斯的高壓發(fā)動機噴管采用中間波紋板與內(nèi)外壁釬焊形成的冷卻通道。但由于焊前的裝配復雜、手工作業(yè)強度高，而開始研究銑槽式燃燒室和噴管，直到現(xiàn)在俄羅斯幾乎所有液體火箭發(fā)動機都采用這種結(jié)構(gòu)。進入21世紀，各國開始追求低成本和高效率的航天制造技術(shù)，歐空局的沃爾沃公司開發(fā)激光焊接夾層結(jié)構(gòu)技術(shù)，應(yīng)用于銑槽結(jié)構(gòu)噴管的焊接，有效地降低了研制成本[2]。日本LE-X的銑槽式噴管延伸段采用了與RS-68發(fā)動機燃燒室相同的熱等靜壓（HIP）連接技術(shù)，焊接一步到位。

銑槽式結(jié)構(gòu)的噴管由內(nèi)襯和外殼組成，如圖1所示。內(nèi)襯外表面加工了一系列與噴管輪廓一致的冷卻通道，外殼用于冷卻通道的封合，通過各種形式將其與內(nèi)襯連接在一起，這也是銑槽式噴管的制造難點。表1歸納了銑槽式冷卻通道的制造技術(shù)，有些技術(shù)已得到驗證，而有些制造技術(shù)的成熟度狀態(tài)較低。常用的冷卻通道封合技術(shù)包括釬焊技術(shù)（常壓和加壓，加壓釬焊通常被稱為熱等靜壓（HIP））、真空等離子噴涂（VPS）封合技術(shù)、激光焊接技術(shù)和增材制造技術(shù)等[3～7]。

圖1 銑槽式結(jié)構(gòu)

表1 冷卻通道內(nèi)襯、銑槽及封合技術(shù)

3 冷卻通道的快速制造技術(shù)

目前，國外相關(guān)機構(gòu)正在研究大型噴管的快速制造替代技術(shù)，包括內(nèi)襯成形、冷卻通道加工及封合等，其中采用水射流銑削、電弧增材制造沉積和激光熔絲增材等技術(shù)制造的零部件都已通過了點火試驗，取得了相關(guān)環(huán)境下的性能數(shù)據(jù)。

現(xiàn)有的增材制造技術(shù)都是以粉末和絲材為原料，通過激光、電弧或等離子以及電子束等熱源將粉末或金屬絲熔化。常見的有：同軸送粉沉積（又稱激光自由成形制造技術(shù)（LFMT）或直接金屬沉積（DMD））、激光熔絲沉積（如激光金屬沉積（LMD）、激光沉積技術(shù)（LDT）和激光直接沉積（L-DED）等）、電弧熔絲沉積（如金屬直接數(shù)字制造（MDDM）或定向電弧熔絲沉積（Arc-DED））以及電子束自由制造（EBF3）。

3.1 內(nèi)襯的成形

冷卻通道的內(nèi)襯是薄壁、高應(yīng)變組件，通過內(nèi)壁熱流的溫度極高，零件在熱、機械和復合載荷應(yīng)變中容易失效。因此，內(nèi)襯設(shè)計的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)和材料要滿足所有要求。制造內(nèi)襯的典型工藝包括鍛造、旋壓或成形+焊接。這些工藝制造的內(nèi)襯表面粗糙，銑槽前需要精加工。大尺寸內(nèi)襯通常需要鍛制板件拼焊，再對錐體旋壓，使其達到噴管形狀。

選擇增材制造技術(shù)制做大尺寸噴管內(nèi)襯，可以達到近凈成形，降低了原材料成本，免除了對特殊模具和焊縫的需要，減少了加工工序，如旋壓和隨后的退火處理等。但大型噴管的尺寸超出了粉末熔融設(shè)備規(guī)格，而同軸送粉沉積和電弧熔絲沉積技術(shù)為快速制造液體火箭大型噴管內(nèi)襯則提供了可能。將增材制造設(shè)備同多軸機床集成，可在氣氛保護室(或整體真空系統(tǒng))內(nèi)自由成型，也可采用局部氣氛保護的多軸工業(yè)機器人完成。因此，這些設(shè)備可應(yīng)用于大型噴管結(jié)構(gòu)和模具的制造。

3.1.1 同軸送粉激光沉積增材制造技術(shù)

如圖2所示，610mm近凈成形噴管內(nèi)襯采用因康鎳625粉末制成。粉末沉積前，先采用水射流將4140型鋼板切割成圓環(huán)形，然后精加工成610mm的大型內(nèi)襯基板。鋼板材料的熱膨脹系數(shù)與因康鎳625相匹配，可降低大型板制造成本。加工時將基板傾斜安裝在轉(zhuǎn)盤上，使壁面保持水平。同軸送粉噴嘴和激光頭一起安裝在機械手上，采用局部氣體保護進行激光沉積制造。激光沉積制造完成，盡管內(nèi)襯沒有進行HIP操作，但在惰性環(huán)境、1066℃的溫度下保持了1.5h，已經(jīng)完成了應(yīng)力釋放，可以機械加工。

圖2 激光粉末沉積制造的內(nèi)襯

機械加工時的裝夾模具采用304不銹鋼材料制造，分塊制成，在內(nèi)襯的前端處焊接，可以將內(nèi)襯剛性安裝在車床上，完成對內(nèi)襯內(nèi)表面（熱壁）的加工。最后使用結(jié)構(gòu)光三維掃描檢測，使內(nèi)襯滿足所需公差，最終壁厚小于1.5mm。

與旋壓成形或鍛造工藝相比，材料去除量減少了85%；粉末沉積制造只需不到3d的時間，大大縮短了制造周期。對制成的內(nèi)襯進行的一系列拉伸等測試表明，其力學性能存在較小的缺陷，但優(yōu)于鍛件。

3.1.2 電弧熔絲增材制造

目前，多個國家的研究機構(gòu)正對電弧熔絲增材制造大型噴管內(nèi)襯進行研究。英國克蘭菲爾德大學曾展示過使用電弧熔絲增材制造（WAAM）技術(shù)制造的各種合金的近凈成形零件；美國MSFC也一直在研究被稱為基于絲材的金屬直接數(shù)字制造（MDDM）技術(shù)，并使用整體傳感器連續(xù)監(jiān)控制造過程。這些傳感器實時監(jiān)測沉積過程中熔滴的幾何形狀、溫度和零件幾何形狀，以校正或識別異常沉積位置/特征。MDDM技術(shù)具有材料沉積效率高、絲材直徑大于1.5mm的顯著優(yōu)點。加工的近凈形內(nèi)襯如圖3所示，材料性能達到了初步設(shè)計要求，但還需繼續(xù)測試研究機械性能。

圖3 電弧熔絲制造的內(nèi)襯

3.2 冷卻通道的銑削

冷卻通道的加工技術(shù)有很多種，通常使用一個或多個刀具銑削內(nèi)襯，直到獲得所需的通道寬度。由于材料的去除率高，切割刀具很關(guān)鍵。在加工不銹鋼和高溫合金系列的材料時，刀具的進給率明顯降低?？杉庸ねǖ赖膸缀涡螤罹窒抻诘毒叩臋M截面輪廓，最典型的形狀是線性通道，也可沿內(nèi)襯的外表面加工螺旋通道。四方端銑刀可以形成非線性通道，但由于端銑通道的深度和負荷有限，銑削率大大降低。因此噴管內(nèi)襯冷卻通道的加工需要尋找一種替代技術(shù)，磨料水射流銑削（WJM）工藝就是其中之一。

磨料水射流銑削工藝是一種使用高壓水和研磨材料一起噴射的盲孔研磨工藝，與傳統(tǒng)銑削冷卻通道的工藝相比，具備多種優(yōu)勢：a.加工形狀多，采用5軸數(shù)控設(shè)備可加工出以前無法加工的幾何形狀；b.可切割材料范圍廣，既可切割像銅這類的軟材料，也可加工像高溫合金這樣的高硬度材料，可根據(jù)被切割材料進行調(diào)節(jié)，類似于研磨；c.加工效率提高，對因康鎳高溫合金這類高硬度材料，可以像加工不銹鋼一樣，比傳統(tǒng)銑槽方法速度快很多，可節(jié)省超過60%的加工時間，若使用機器人操縱，速度還可以更快。不過對于軟材料，提高銑削速度較為困難，特別是簡單的軸向通道，可能無法節(jié)省時間；d.對零件的加載不高，適合像內(nèi)襯這類的薄壁零件。相比傳統(tǒng)機加工對內(nèi)襯開槽，水射流加工的內(nèi)襯可以達到內(nèi)襯壁厚減薄25%而無變形，即可加工出約0.3mm厚的熱壁，這對傳統(tǒng)工藝來說很難實現(xiàn)；e.銑削時不需要芯軸，便于加工過程中的檢查，可根據(jù)需要調(diào)整工藝參數(shù)。加工中和最終壁厚的檢測采用了最新開發(fā)的綜合超聲熱壁檢測技術(shù)。需要注意的是采用水射流銑削工藝表面粗糙度比傳統(tǒng)機械加工的要高，但在設(shè)計可接受的范圍內(nèi)。

圖4是采用五軸水射流銑削工藝加工的復雜冷卻通道形狀，以此提高發(fā)動機的冷卻性能，如高深通道、燕尾式通道、整體薄膜冷卻和雙相流動通道等。試驗材料為因康鎳625和銅合金材料，這些形狀的加工都在噴管的縮比件和全尺寸示范件上驗證，如圖5所示，冷卻通道公差可保持在±0.05mm的范圍內(nèi)。

圖4 水射流加工的冷卻通道幾何形狀

圖5 水射流加工的噴管

3.3 通道封合技術(shù)

正在研究的冷卻通道快速封合技術(shù)包括激光熔絲沉積增材制造、爆炸連接（EXW）技術(shù)和高速液體冷噴涂技術(shù)。激光沉積增材制造可以在沉積過程中隨時檢查狀態(tài)，但制造過程緩慢，并且需要更高的熱量輸入；爆炸連接可以完成異種金屬材料的固態(tài)連接，但需使用高能炸藥，增加了零件變形的風險；液體冷噴涂技術(shù)是一種低熱量輸入技術(shù)，可減少對母材熱效應(yīng)影響，但也限制了冷卻通道填充材料的使用范圍。

3.3.1 激光熔絲沉積技術(shù)

激光熔絲沉積是一種基于熔覆技術(shù)的大型增材制造工藝，已在石油和天然氣工業(yè)中使用多年，也用于宇航零件的修補，瑞典沃爾沃公司曾將此技術(shù)用于激光焊接噴管外殼加強筋的研究[9，10]。NASA采用此技術(shù)封合復雜曲面的燃燒室、噴管等冷卻通道。如圖6所示，噴管為采用同軸激光熔絲沉積技術(shù)，在每個冷卻通道上橋接寬度，形成局部焊接，封合時冷卻通道內(nèi)不需填充材料。激光沉積過程中，焊絲和激光沿著噴管周向行進，激光焦點匯聚在上一層，部分匯聚在通道筋上，可防止過熱和燒穿通道的筋肋。初始層沉積好后，可制造支撐外殼。實驗證明該技術(shù)可用于流道封合，但流道面積會減少，約在5%之內(nèi)，在工藝設(shè)計認可范圍內(nèi)。雙金屬連接還需要進一步的研究。

3.3.2 爆炸連接技術(shù)

爆炸連接技術(shù)是一種固態(tài)連接工藝，加熱僅限于涂覆表面，可連接同種或異種金屬，作為冷卻通道的封合技術(shù)具有許多優(yōu)勢：a.可用于大型零件，目前已在2.4m、長3.0m的噴管上得到應(yīng)用；b.異種金屬的使用，可減輕重量或增加傳熱等，為優(yōu)化設(shè)計提供了可能；c.與傳統(tǒng)方法相比成本降低。由于極大地簡化了工具和設(shè)施，如芯軸，封合所需公差明顯降低，節(jié)約成本；d.結(jié)合強度高。已經(jīng)證明噴管通道壁結(jié)合強度等于或高于基材金屬；e.允許進行后續(xù)焊接，如集合器的焊接并不損害通道封合的完整性。對于釬焊操作，后續(xù)工藝必須限制使用二次加熱操作，以避免釬焊合金再熔化。

美國巴特爾（Battelle）實驗室曾嘗試使用爆炸連接作為燃燒室、渦輪部件和通道壁的固態(tài)封合方法。2013年NASA和業(yè)界合作伙伴借鑒Battelle試驗室以前的工作，開展此項技術(shù)的研究。如圖7所示，噴管內(nèi)襯為同軸送粉激光沉積制造的零件，預加工后經(jīng)水射流銑出冷卻通道，加工時的工裝也可用于爆炸焊工藝的備用芯棒。芯棒使用結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)配合，與內(nèi)襯熱壁匹配加工出最小的間隙。封合外殼為旋壓成形的2mm厚因康鎳625外殼，在爆炸焊中留有足夠的間隙加速。爆炸連接后，內(nèi)襯有輕微變形，但在可接受的公差范圍內(nèi)。通道也出現(xiàn)了一些變形，還需再優(yōu)化。

圖7 因康鎳625材料內(nèi)襯和外殼的爆炸焊裝配

采用爆炸連接作為噴管冷卻通道封合技術(shù)時，為了保持通道的幾何形狀，必須要有填充材料或支撐工具。經(jīng)過各種試驗研究發(fā)現(xiàn)，鋁成形通道的能力強，去除工藝簡單，速度快，如1000系列鋁可用濃度為2.5氫氧化鈉溶液在32℃下除去。因此，鋁是最佳金屬填料。爆炸連接技術(shù)具有焊接銅、不銹鋼和高溫合金等材料的潛力，可加工大型零件并保持公差。

3.3.3 液體冷噴涂技術(shù)

液體冷噴涂技術(shù)屬于固態(tài)焊接工藝，可以保持較低的溫度，有利于合金保持性能，常用于涂層。與氣態(tài)冷噴涂相比，液態(tài)冷噴涂的優(yōu)勢在于噴涂速度提高，以及易于清潔粉末焊接時的表面氧化物。當用于封合冷卻通道時，高速噴氣加速粒子，利用動能焊接到基板或前面的噴涂層上，被加速的粉末是易于與基材粘結(jié)或形成涂層的合金。最新的冷噴涂技術(shù)采用超高壓泵，壓力通常在621MPa左右，使用液體加速粉末，可明顯增加粉末速度和動能。噴涂設(shè)備及噴射噴嘴安裝在大型機器人上，可以制造大型零件。

冷噴涂作為封合外殼工藝的研究目前僅在平板試件上進行，噴涂材料為鉻鋯銅C-18150粉末，這種材料在如釬焊等高溫環(huán)境下性能會下降，而采用液體冷噴涂工藝則完全避開了高溫。試驗時，需要先借助支撐板使銅粉末完成初始結(jié)合層，該結(jié)合層的粘著性不是很好，但可以使粉末材料得以堆積。然后在堆積產(chǎn)生的平板上銑出冷卻通道，再填充冷卻通道，最后對冷卻通道冷噴涂封合。封合結(jié)束后還要處理冷卻通道溶液。研究發(fā)現(xiàn)，液體冷噴涂工藝會迅速腐蝕非金屬填料，如共晶鹽、高抗壓強度環(huán)氧樹脂和膠粘劑等，因此，必須使用金屬填料。試驗結(jié)果表明，液體冷噴涂技術(shù)具備制造近凈成形零件的潛力，但技術(shù)成熟度較低，還需要對大型零件的成形、通道填料的選擇及去除工藝做進一步的研究。

4 結(jié)束語

國外許多航天機構(gòu)針對大型冷卻通道的制造技術(shù)開展了廣泛研究，研究重點放在大型噴管的快速制造技術(shù)上，包括內(nèi)襯成形的同軸送粉激光沉積和電弧熔絲增材制造技術(shù)，加工冷卻通道的磨料水射流銑削技術(shù)，以及用于封合冷卻通道的激光熔絲、爆炸連接和液體冷噴涂技術(shù)。這些技術(shù)都具備快速成形噴管的潛力，同樣也適用于帶有冷卻通道的大型燃燒室結(jié)構(gòu)。

a. 采用同軸送粉激光沉積和電弧熔絲增材制造技術(shù)制造的噴管內(nèi)襯，與傳統(tǒng)工藝相比，工序少、周期短，充分展示了這些技術(shù)快速成形的能力，制造的噴管內(nèi)襯其機械測試和金相分析結(jié)果均滿足材料的要求；

b. 磨料水射流銑削已被證明是開槽或端面銑的潛在替代工藝。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，其加工噴管冷卻通道具有以下優(yōu)勢：可將熱壁厚度減少到0.30mm或以下，并滿足公差要求；大大提高了難加工材料的銑削速度，縮短了制造時間；可通過增加通道幾何形狀的復雜度來提高發(fā)動機性能。

c. 針對大型噴管冷卻通道封合技術(shù)的研究包括激光熔絲增材制造、爆炸連接和冷噴涂封合技術(shù)。激光熔絲增材制造和爆炸連接在大型噴管應(yīng)用中潛力巨大，具備封合各種合金冷卻通道的能力。冷噴涂技術(shù)的封合效果具備一定的潛力，但需要進一步的研究提高封合水平。

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2 H?gman U, Rydén R. The volvo aero laser welded sandwich nozzle[J]. AIAA,2004-3677

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7 Scott C. NASA Develops New 3D Printing Method for Fabricating Rocket Engine Nozzles[EB/OL]. [2020-07-07]. https://3dprint.com/207282/nasa-rocket-engine-nozzles

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9 Honoré Brox M L, Hallberg M. Structural strengthening of rocket nozzle extension by means of laser metal deposition[C]. 2012-823905

10 丁新玲. 液體火箭發(fā)動機噴管延伸段制造新技術(shù)[J]. 航天制造技術(shù)，2006(6)：1～5

Rapid Fabrication Techniques of Liquid Rocket Engine Thrust Chamber

Luo Wei1Zhang Hanyi2Jiao Hui1Sui Yang1Ding Xinling1Wang Fude1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076；2. Science and Technology on Space Physics Laboratory, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

The status of thrust chamber manufacturing technology of liquid rocket engine abroad was analyzed and summarized in this paper, especially channel wall nozzle manufacturing technology. Several rapid fabrication techniques that are currently studying for liquid rocket channel wall nozzles are introduced in detail, mainly including liner forming of Direct Metal Deposition (DMD) and Arc-Directed Energy Deposition (Arc-DED), channel slotting of Water Jet Milling (WJT) , and channel closeout techniques of Freeform Deposition, explosion bonding and liquid cold spraying. Compared with the traditional technology, these technologies can not only rapidly form large regenerative cooling thrust chamber, but also drastically reduce the use of raw materials and the process complexity. As a result, the manufacturing cycle and production cost of the engine have been reduced with varying degrees.

cooling channel；laser deposition；Arc-DED；water jet milling；explosive bonding

羅巍（1968），高級工程師，電子工程專業(yè)；研究方向：航天制造技術(shù)發(fā)展。

2020-07-06