?導(dǎo)讀：對(duì)于航天發(fā)射來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)故障導(dǎo)致發(fā)射失敗是常有的事情，尤其是在研制之初。然而，由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)再以接近性能極限的方式運(yùn)行，了解故障的原因至關(guān)重要。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的商業(yè)航天業(yè)務(wù)中，分享經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的現(xiàn)象非常鮮見(jiàn)。而NASA卻不斷有新的知識(shí)分享，本期內(nèi)容將介紹NASA材料和增材制造副技術(shù)研究員Alison Park和首席工程師Paul Gradl對(duì)采用3D打印研制的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一次故障的見(jiàn)解。

20世紀(jì)60年代，阿波羅計(jì)劃將人類(lèi)送上月球，用牛皮紙繪圖桌和手工機(jī)器制作零件的時(shí)代的工程師們會(huì)如何看待各種增材制造技術(shù)在火箭推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中的普及？當(dāng)團(tuán)隊(duì)試圖同時(shí)理解太空飛行和硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜物理過(guò)程時(shí)，多次開(kāi)發(fā)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障還會(huì)發(fā)生嗎？如果他們有增材制造技術(shù)，他們能更快的執(zhí)行設(shè)計(jì)-故障修復(fù)嗎？然而，即使3D打印的優(yōu)勢(shì)在設(shè)計(jì)、測(cè)試和生產(chǎn)中完全實(shí)現(xiàn)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的物理仍然具有挑戰(zhàn)性?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)必須在極端的環(huán)境中工作：如果有可能出錯(cuò)，它就會(huì)出錯(cuò)。

因此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重要的基礎(chǔ)、過(guò)程控制和關(guān)鍵集成需求是必要的。顯而易見(jiàn)的是，設(shè)計(jì)、制造和組裝復(fù)雜火箭推進(jìn)系統(tǒng)的部件涉及大量資源——時(shí)間、資金和技能——以實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)，這始終都是為了安全成功的完成任務(wù)。NASA馬歇爾太空飛行中心正在充分利用3D打印技術(shù)用于火箭推進(jìn)系 統(tǒng)，以減少測(cè)試時(shí)間和設(shè)計(jì)-故障-修復(fù)周期的迭代

NASA馬歇爾太空飛行中心目前正在充分利用3D打印技術(shù)用于火箭推進(jìn)系統(tǒng)，以減少測(cè)試時(shí)間和設(shè)計(jì)故障修復(fù)周期的迭代。3D打印在火箭上的其他優(yōu)勢(shì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，包括降低總體成本、加快進(jìn)度，零件整合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜特征制造，以及使用新型合金來(lái)提高性能。NASA改變游戲規(guī)則開(kāi)發(fā)計(jì)劃下的“長(zhǎng)壽命增材制造組件項(xiàng)目（LLAMA）”就是幫助推進(jìn)該技術(shù)成熟的努力。

51次的成功之后發(fā)生失敗

該項(xiàng)目的目的是評(píng)估激光束粉末床熔融工藝(PBF-LB)與GRCop-42(銅鉻鈮)合金用于制造高占空比火箭燃燒室組件的可行性。任務(wù)包括開(kāi)發(fā)和完善PBF-LB工藝和GRCop-42合金，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和分析，管理硬件需求的采購(gòu)和集成，以及對(duì)子組件進(jìn)行一系列熱測(cè)試，高溫系列測(cè)試的目標(biāo)是在單個(gè)燃燒室組件上滿(mǎn)足至少50次啟動(dòng)。

一個(gè)典型的用于化學(xué)推進(jìn)的火箭推力室組件(TCA)有三個(gè)主要的子組件：噴射器、燃燒室和排氣噴嘴。TCA的功能僅僅是通過(guò)提供燃燒并將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能來(lái)產(chǎn)生推力。對(duì)于高性能高壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，燃燒室和排氣噴嘴通常采用復(fù)雜的內(nèi)部冷卻進(jìn)行再生冷卻。

在LLAMA項(xiàng)目下測(cè)試的硬件

燃燒氣體溫度可接近3300°C，壓力可經(jīng)常超過(guò)50bar。如果不使用系統(tǒng)中的推進(jìn)劑主動(dòng)冷卻腔壁，腔室?guī)缀鯐?huì)在瞬間熔化；但這推力室的壁厚很薄，這對(duì)傳統(tǒng)制造來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)。這是引入3D打印技術(shù)的一個(gè)巨大機(jī)會(huì)，為推力室創(chuàng)造這些具有良好特征的復(fù)雜冷卻通道，已經(jīng)成為商業(yè)航天領(lǐng)域的普遍做法。

噴射器也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的零件，采用傳統(tǒng)制造通常包含數(shù)百個(gè)焊接在一起的部件，3D打印簡(jiǎn)化了其結(jié)構(gòu)。再生冷卻噴嘴在冷卻壁和燃燒室方面面臨著類(lèi)似的挑戰(zhàn)，但必須大規(guī)模制造。

LLAMA項(xiàng)目開(kāi)始設(shè)計(jì)和測(cè)試所有這些3D打印組件，使用PBF-LB制造注射器和燃燒室，使用激光束粉末定向能力沉積制造再生冷卻噴嘴。

LLAMA項(xiàng)目中3D打印的GRCop-42燃燒室和C-C噴嘴的成功進(jìn)行熱測(cè)試

燃燒室選用的合金為GRCop-42，其具有良好的材料性能，如高導(dǎo)熱系數(shù)，高抗蠕變性能，延長(zhǎng)的低周疲勞壽命，增強(qiáng)的抗氧化性能，能夠在接近800°C的高溫下具有較高的拉伸強(qiáng)度。在使用PBF-LB工藝進(jìn)行加工時(shí)，這些材料屬性仍然保持。該材料在2019年開(kāi)發(fā)成功后，已成為推力室組件制造的首選合金。

NASA對(duì)多個(gè)使用GRCop-42和GRCop-84制造的燃燒室成功進(jìn)行了的熱火測(cè)試，累計(jì)超過(guò)40000秒，啟動(dòng)次數(shù)超過(guò)1100次。其中包括單個(gè)推力為10千牛的GRCop-42燃燒室，累計(jì)啟動(dòng)次數(shù)超過(guò)188次，時(shí)間超過(guò)8030秒。

LLAMA項(xiàng)目成功測(cè)試的一個(gè)推力室獲得了51個(gè)滿(mǎn)足項(xiàng)目的指標(biāo)，這一成功促使團(tuán)隊(duì)測(cè)試第二個(gè)腔室，它與成功測(cè)試的上一個(gè)腔室在相同的建造板上制造，使用相同的加工步驟。該測(cè)試有望提供關(guān)于重復(fù)性和性能指標(biāo)的更多過(guò)程數(shù)據(jù)。

2021年2月，NASA啟動(dòng)了一系列測(cè)試，同樣的條件也在第二個(gè)腔室中運(yùn)行，并成功測(cè)試了8次，但之后一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的C-C噴嘴出現(xiàn)了故障，并最終被火焰吞沒(méi)。實(shí)驗(yàn)人員按照正確的指令順序關(guān)閉測(cè)試程序，發(fā)現(xiàn)推力室斷成了兩截。

第九次測(cè)試中GRCop-42腔室測(cè)試失敗

測(cè)試關(guān)閉后斷開(kāi)的腔室

深入評(píng)估失敗原因

這一異常測(cè)試的發(fā)生促使了深入的工藝評(píng)估。評(píng)估考察了測(cè)試過(guò)程、排序、硬件、3D打印構(gòu)建過(guò)程、檢查和其他記錄的所有方面，在高速視頻中觀(guān)察到一個(gè)可視裂縫和泄漏。

評(píng)估的第一步是收集燃燒室加工步驟的歷史，包括粉末給料、3D打印制造工藝和建造后工藝，包括熱等靜壓(HIP)、加工、清洗和檢查數(shù)據(jù)。這個(gè)腔室與其他三個(gè)一起建造——其中兩個(gè)是相同的建造模型——在同一個(gè)建造板上制造。“雙生”燃燒室剛剛完成了廣泛的高溫系列測(cè)試，累積了51次啟動(dòng)和近1000秒的時(shí)間。

燃燒室泄漏的瞬間

對(duì)構(gòu)建記錄的進(jìn)一步調(diào)查顯示了關(guān)于這四個(gè)腔室的一些重要信息，在制造過(guò)程中既有有意的也有無(wú)意的制造中斷。這些中斷的歷史在零件表面留下了層紋，除了這些中斷之外，構(gòu)建記錄表明沒(méi)有異常，HIP參數(shù)是正確的，其他后處理操作都符合預(yù)期。

構(gòu)建中斷引起懷疑

層紋被定義為3D打印零件表面上與構(gòu)建平面平行運(yùn)行的清晰可區(qū)分的線(xiàn)，這是由層掃描時(shí)間(零件可能會(huì)冷卻)和層厚度的變化引起的，通常在構(gòu)建停止和中斷期間形成。測(cè)量了每條可見(jiàn)層紋的高度，并與指示構(gòu)建停止的切片層位置一致。雖然層紋與其他表面看起來(lái)相似，但形成的機(jī)制完全不同。

三個(gè)腔室來(lái)自同一次構(gòu)建：箭頭1和2表示停電，箭頭3和箭頭4表示排空溢流；1號(hào)腔室(C1)沒(méi)有測(cè)試，2號(hào)(C2)是測(cè)試斷開(kāi)的腔室，3號(hào) (C3)測(cè)試成功51次

例如，PBF-LB機(jī)器沖入保護(hù)氣體的過(guò)程導(dǎo)致每個(gè)部件暴露在開(kāi)放的空氣中不到60分鐘（猜測(cè)可能有其他原因?qū)е轮型境錃猓辉陔娫垂收蠈?dǎo)致構(gòu)建中斷的情況下，PBF-LB構(gòu)建室保持密封，但沒(méi)有主動(dòng)清洗腔室氣氛。停電中斷的時(shí)間分別為10分鐘和120分鐘。

第二次構(gòu)建中斷位于腔室的桶形部分，測(cè)試腔室斷開(kāi)的位置與層切片精確相關(guān)，因此受到了很多關(guān)注。該團(tuán)隊(duì)使用了與故障腔室一起額外制造的C1腔室來(lái)幫助評(píng)估材料和加工過(guò)程。未測(cè)試腔室允許對(duì)精確的層紋位置進(jìn)行表征，以確定缺陷、微觀(guān)結(jié)構(gòu)、化學(xué)和機(jī)械測(cè)試，從而了解故障并提供大量數(shù)據(jù)。

對(duì)測(cè)試斷裂的C2失效腔室的斷裂表面進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)?shù)谝淮斡萌庋塾^(guān)察時(shí)，很明顯斷裂面是平面的，但有兩個(gè)明顯的區(qū)域輕微變形為杯狀。這些“杯狀”區(qū)域大致位于首次觀(guān)察到泄漏的圓周位置。在光學(xué)顯微鏡下，斷口表面顯示掃描模式為平行線(xiàn)穿過(guò)表面。這可能表明，在這條層紋上的重新構(gòu)建造成了粒子之間嚴(yán)重缺乏熔合，這可能導(dǎo)致力學(xué)性能降低。

在掃描電子顯微鏡下，由于較高的孔隙率和缺乏粉末顆粒熔合，斷口表面表現(xiàn)出不規(guī)則的孔隙形狀和較低的變形程度。通過(guò)電感耦合等離子體和惰性氣體聚變進(jìn)行的化學(xué)分析表明，該腔室的氧含量和鉻/鈮比略高于規(guī)范要求。眾所周知，過(guò)量的氧氣會(huì)降低電導(dǎo)率、高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，導(dǎo)致疲勞裂紋萌生部位。

模擬結(jié)果加深疑慮

為了完全回答這些類(lèi)型的建造中斷和重新啟動(dòng)是如何導(dǎo)致層紋處機(jī)械性能下降的，直接從腔室中提取了微拉伸試樣。除了這些樣品外，還構(gòu)建了模擬的建造中斷樣品，模擬停電環(huán)境和時(shí)間，以及其他事件和時(shí)間。從這些模擬樣品中，進(jìn)行了拉伸和低周疲勞力學(xué)測(cè)試，以確定構(gòu)建中斷和重啟的影響。

在腔室層紋(C1)切除的微拉伸試樣表明，與腔室的其余部分相比，其孔隙率接近2%。與GRCop-42的典型PBF-LB構(gòu)建中觀(guān)察到的接近100%的密度相比，即使是0.5%的孔隙率也非常高。從腔室中取出切片并采集光學(xué)顯微鏡圖像，可以明顯看出，該材料具有較高的隨機(jī)分布的孔隙，同時(shí)在層紋周?chē)紫抖鹊木奂?/p>

從未測(cè)試腔室層紋位置取出的微拉伸標(biāo)本

微拉伸測(cè)試結(jié)果顯示，與在不受層紋影響的區(qū)域采集的對(duì)照樣品相比，極限拉伸強(qiáng)度(UTS)降低了30%，失效應(yīng)變也降低了80%，表明材料處于脆性狀態(tài)。這可能會(huì)導(dǎo)致層紋的承重能力下降，以及循環(huán)應(yīng)變降低。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)最初讓研究小組相信，建造中斷可能會(huì)導(dǎo)致性能下降，但來(lái)自模擬建造中斷樣本的拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)卻是一個(gè)不同的結(jié)果。在斷電和充氣情況下，模擬試樣的平均拉伸數(shù)據(jù)與對(duì)照試樣幾乎相同。

極限強(qiáng)度(UTS)、屈服強(qiáng)度(YS)和延伸率無(wú)顯著差異，試樣的密度接近100%，拉伸性能良好

疲勞測(cè)試也表明不同類(lèi)型的重啟和控制樣品之間的疲勞壽命沒(méi)有差異。該模擬樣本數(shù)據(jù)證實(shí)，在適當(dāng)?shù)闹匦聠?dòng)程序后，顯示層紋的部件并不一定會(huì)減弱材料性能?？赡苓€有其他操作或工藝敏感的因素導(dǎo)致了層紋處孔隙度的增加。

帶有層紋的模擬樣品和對(duì)照樣品與預(yù)期的韌性破壞斷口面一致：典型的杯狀和錐狀。微拉伸樣品作為對(duì)照，來(lái)自一個(gè)沒(méi)有層紋的區(qū)域，也顯示了破裂前的變形和頸縮。C1腔室微拉伸試樣斷口層紋顯示，斷口呈高顆粒狀，但變形較小，斷口有大量未熔化的粉末顆粒，氣孔不規(guī)則，可見(jiàn)掃描/熔融模式。這表明，觀(guān)察到的孔隙度是由于缺乏熔合和沒(méi)有足夠的能量來(lái)完全熔化粉末并與上一層良好結(jié)合。

這一觀(guān)察結(jié)果讓團(tuán)隊(duì)不安，因?yàn)樗袠?gòu)建記錄都表明機(jī)器運(yùn)行正常。使用的PBF-LB參數(shù)和硬件之前已經(jīng)使用相同的GRCop-42合金建造了數(shù)十個(gè)燃燒室，這些燃燒室的密度接近100%，并成功測(cè)試。

失效評(píng)估結(jié)果

這次評(píng)估的結(jié)果表明了導(dǎo)致腔室失效的幾個(gè)因素：在構(gòu)建中斷線(xiàn)處有大量的孔洞，在HIP過(guò)程中，由于尺寸太大沒(méi)有完全閉合，這減少了層紋周?chē)某休d面積。這種承載面積的減少，加上這些表面的熱疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞，導(dǎo)致了熱測(cè)試期間的過(guò)載。試驗(yàn)腔室中的孔隙率總體上比GRCop-42的典型PBF-LB構(gòu)建高得多，還觀(guān)察到孔隙率隨著構(gòu)建的高度而增加。

總結(jié)經(jīng)驗(yàn)

任何用戶(hù)為零件生產(chǎn)準(zhǔn)備的開(kāi)發(fā)路徑將根據(jù)項(xiàng)目的需求和最終目標(biāo)而有所不同。它可能是用于迭代設(shè)計(jì)原型的早期開(kāi)發(fā)部分，也可能是用于載人航天的關(guān)鍵組件。無(wú)論路徑可能是什么，本行業(yè)可以從NASA的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)獲得對(duì)整個(gè)增材制造過(guò)程更多的解。參數(shù)、原料或其他工藝的微小變化都會(huì)影響零件的完整性。

NASA正在研究各種3D打印工藝，并正在使用它們生產(chǎn)用于開(kāi)發(fā)關(guān)鍵的航天應(yīng)用組件。NASA還與商業(yè)伙伴合作，將相關(guān)設(shè)計(jì)和部件用于航天器和運(yùn)載火箭系統(tǒng)。因此，NASA主張用于生產(chǎn)3D打印組件的材料和工藝的資格和認(rèn)證對(duì)其安全使用至關(guān)重要。

為了支持3D打印工藝和材料的認(rèn)證，NASA制定了一項(xiàng)名為NASA- std -6030“航天系統(tǒng)增材制造要求”的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為3D打印硬件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)建立了政策框架。NASA-STD-6030的主要理念是認(rèn)識(shí)到3D打印材料是高度工藝敏感的，因此良好的基礎(chǔ)工藝控制邏輯為可靠的零件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。

為了確保足夠的質(zhì)量，在開(kāi)始“適合飛行”的生產(chǎn)水平之前，這些工藝開(kāi)發(fā)和定義活動(dòng)是必要的。

雖然在這次試驗(yàn)系列活動(dòng)中，LLAMA腔室不符合NASASTD-6030的要求，但測(cè)試失敗說(shuō)明了NASA-STD-6030中建立的幾個(gè)要求背后的基本原理。該失效腔室為穩(wěn)健工藝開(kāi)發(fā)和深入的材料性能評(píng)估提供了極好的案例研究。

構(gòu)建重新啟動(dòng)對(duì)當(dāng)前的設(shè)備和保障能力來(lái)說(shuō)可能是不可避免的，NASA-STD-6030引入了一些與流程重啟相關(guān)的要求，因?yàn)闃?gòu)建中斷可能與相對(duì)于流程名義上的穩(wěn)態(tài)操作的有害物質(zhì)缺陷的更高風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。因此，如果組件允許重新構(gòu)建，那么為每種合金開(kāi)發(fā)合適的構(gòu)建重新啟動(dòng)程序并記錄是至關(guān)重要的。

重啟程序應(yīng)包括但不限于記錄停止的原因，最大允許停止時(shí)間，搭建平臺(tái)冷卻限制，位置、以及最后一部分層的條件。適當(dāng)?shù)闹匦聠?dòng)研究包括機(jī)械測(cè)試數(shù)據(jù)和微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征，破壞性物品評(píng)估，視覺(jué)和體積檢查，以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。這為團(tuán)隊(duì)提供了必要的信息，以確保重新啟動(dòng)過(guò)程的可遷移性到所需的組件幾何結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建開(kāi)始之前，應(yīng)該就標(biāo)準(zhǔn)和合格程序的列表達(dá)成一致。

如果在飛行硬件生產(chǎn)環(huán)境中發(fā)生了計(jì)劃外的構(gòu)建中斷，這些中斷事件需要被記錄下來(lái)，并在構(gòu)建生產(chǎn)中作為不符合項(xiàng)進(jìn)行處理。關(guān)于LLAMA腔室，雖然這些部件是在非飛行硬件生產(chǎn)環(huán)境中制造的，但如果在重新啟動(dòng)之間對(duì)腔室的層紋進(jìn)行了預(yù)先測(cè)試檢查或進(jìn)行了一些原位無(wú)損評(píng)估，則可以發(fā)現(xiàn)明顯的缺乏熔合缺陷。

然而，對(duì)頂部和底部層紋的觀(guān)察，僅顯示出輕微的幾何偏移，并且沒(méi)有表面連接的孔隙度，零件可能“可用”。這說(shuō)明了制造高價(jià)值/關(guān)鍵任務(wù)組件所需的仔細(xì)和嚴(yán)格的實(shí)踐，特別是如果想排除未檢測(cè)到的故障模式，防止?jié)撛诘臑?zāi)難性后果。

LLAMA項(xiàng)目證明了一點(diǎn)，盡管團(tuán)隊(duì)最初對(duì)一個(gè)腔室進(jìn)行了51次測(cè)試，以達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)。在設(shè)計(jì)、分析、制造、組裝和工藝規(guī)劃方面的所有艱苦工作都在測(cè)試臺(tái)上達(dá)到頂峰，最終仍然存在失敗的可能。但成功與失敗仍然要分開(kāi)看，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的總結(jié)是為了走向最終的成功。

來(lái)源：3D打印技術(shù)參考