3D打印（增材创制，AM）资料和工艺正在反复行使液体火箭策划机开辟中的进化逻辑，素质上是环绕高牢靠性、低本钱复用、机能极限打破三大主旨需求伸开的迭代历程。这一逻辑通过资料系统更始、工艺精进、打算协同和验证举措升级四个维度实行螺旋式成长。”

　　反复行使的天下往返航天运输体例是实行大领域空间开辟与利用的条件，可下降有用载荷发射本钱，实行有用载荷接纳与正在轨任事，同时处分航区安宁题目，是实行“疾捷、机动、低价、牢靠”自正在进出空间的首要途径和有用要领。可反复行使策划机是反复行使的天下往返航天运输体例最为闭头的分体例之一，其特性是研制周期长，进入大，而且跟着策划机推力和反复行使次数的增补研制危险和经费进一步增大。而资料工艺身手又是可反复行使策划机的根源身手、先导身手和闭头身手，是断定可反复行使策划机机能、牢靠性和本钱的一个首要成分，贯穿策划机研制、分娩、行使和维修的全历程，其机能与秤谌正在很大水平上限制着可反复行使策划机的成长和研制经过，也是量度策划机成长秤谌的首要象征之一。反复行使液体火箭策划机是天下往返航天运输体例的首要构成部门，区别的策划机必要采用区别的资料系统和工艺方法。本文维系液体火箭策划机推动体例机能请求及构造特性，着重先容可反复行使液体火箭策划机正在资料工艺遴选与探讨发扬方面的境况。

　　1 海外反复行使液体火箭策划机新型资料系统选材、机能特色与评判1.1 航天飞机主策划机（SSME）氢氧火箭策划机

　　SSME策划机用于美邦的航天飞机，是至今寰宇上独一进入利用的反复行使的氢氧火箭策划机，目前仍是寰宇上最先辈的火箭策划机之一。策划机由洛克达因公司研制，自 1984年4月初度上天至2011年退伍，美邦航天飞机实行了135次上天飞舞，总飞舞隔断约达 5.4亿公里，37次同邦际空间站对接，还曾9次同俄罗斯平宁号空间站对 接。行动第一个专为长事情寿命而打算的大型液体火箭策划机，且要众次载人飞舞，请求航天飞机主策划机具有长命命、可反复、裁汰维修以及高的比推力、推重比和牢靠性等特性。SSME策划机外形构造及各组件剖释示妄思睹 图1。策划机机能构造及各部件事情要求对资料遴选的请求如下：

　　（1）高强度，很众部件事情正在高压下，搜罗预燃烧室、高压涡轮泵、燃气齐集器、燃烧室及导管等；

　　预燃烧室搜罗燃料预燃烧室和氧化剂预燃烧室，其效率是使氢气正在氧中燃烧形成热气，行动驱动高压涡轮泵的动力。预燃烧室由构造壳体、氢/氧焚烧起燃的电火花焚烧器、喷注器和岐管体例构成，睹 图2。预燃烧室壳体正在40MPa压力和-101 ℃下事情，由高比强度的Inconel 718镍基高温合金锻件机加工而成；内衬事情正在约36MPa和500~700 ℃境遇下，因而，内衬资料采用的是高温强度、蠕变抗力和热委靡抗力较好的Haynes 188钴基合金；燃料输入管也由Inconel 718合金创制；预燃烧室喷注器面板、推动剂隔板和导管资料为Inconel 625镍基高温合金；电火花焚烧器插入部门由铜合金NARloy-A制 成。

　　燃烧室是SSME策划机的心脏，内部温度高、压力大，又要经受喉部热流达107MW/ ㎡ （比“土星”策划机高2~10倍）的400次热轮回（起动）。当策划机焚烧时，内部气体温度高达3300 ℃，而内壁温度请求低于约540 ℃。采用沟槽式构造再生冷却，冷却剂进口压力42MPa，2760 ℃时出口压力为25MP a。

　　燃烧室由内部衬套和构造外壳构成，如 图3所 示。内部衬套采用带沟槽的铜银锆合金内壁和电铸镍外壁构成，液氢流经沟槽冷却燃烧室。外部构造壳体继承压力载荷和来自喷管的推力载荷。构造外壳搜罗岐管和两环间的壳体构成，壳体由两个对称部门合成，一齐选用Inconel 718镍基高温合金（相当我邦GH4169）作构造资料。

　　延迟喷管正在膨胀比5∶1处与燃烧室相连。延迟喷管构造如 图4所 示。全长约3m，重约420kg。采用高压燃烧再生冷却，其冷却剂管分为高贵管和卑劣管，都呈锥形，采用钎焊工艺为一体，资料为A-286铁基高温合金。外壳和帽状构造带采用Inconel 718合金资料创制而成，均为焊接构造。

　　SSME喷管延迟段由1080根A-286合金锥形管安装钎焊成一体，锥形管总长为3292m，喷管延迟段与Inconel718外壳和9个构造环通过钎焊链接正在一块。钎焊工艺凡是必要举办2～3个钎焊轮回，喷管焊接所用钎料为Au-22Ni-8Pd和Au-25Mn-6Pd-6Ni-45Cu等。锥形管与喷管延迟段外壳焊接拼装通俗正在氢气珍爱氛围中举办，钎焊缝总长度赶上4277m，管端插入齐集器钻孔处有2160个钎焊接头，钎焊中所用钎料为7kg。

　　主燃烧室与喷管延迟段通过最纯粹的死板邻接造成，然后采用亚弧焊或电子束焊举办焊接密封。

　　航天飞机的涡轮泵推动剂进口压力与出口事情压力相差很悬殊，因而区分采用了低压泵和高压泵。低压泵是一种具有低速、高吸气特色的助推泵，它可使推动剂压力由不到1MPa增至几倍。高压泵则通过高速将压力进一步增压至几十倍，通过这种方法处分了正在统一种泵中进口低速与出口增压高速之间的冲突，减轻了泵重与死板装备的庞杂性，并使资料取得更合理的利用。

　　高压氧化剂泵为两级泵，使液氧增压至约33MPa，另有一个独立级使16%流量的氧增压至54MPa。涡轮事情温度约为820 ℃，涡轮转速约为29000 r/min，这种高温高压及液氧的介质境遇请求选用镍基和钴基高温合金。涡轮进口套筒支柱环采用低膨胀高温铁镍铬合金Incoloy 903合金创制，涡轮叶片采用MAR-M246定向凝结高温合金创制。涡轮盘和轴由Waspaloy合金创制而成，为避免高压氢脆，正在涡轮盘的枞树形区域镀约0.038mm厚度的锌。

　　高压燃料泵为三级离心泵，液氢输送量为66kg/s。因为当时工艺秤谌束缚，最初研制的超低温Ti-5Al-2.5Sn钛合金氢泵叶轮采用的是周详铸身手成形，厥后厘正为粉末冶金成型。其余，进口集流管也由钛合金创制。

　　低压氧化剂泵通过高压泵排出的液氧驱动，液氧输送量可达475kg/s。低压氧化剂泵外壳采用Tens-50铸铝创制，导流叶片采用Monel合金创制，转子、定子叶片采用K-Monel镍铜合金创制。

　　热气岐管构造上必要撑持预燃烧室、高压涡轮泵、喷注和燃烧室组件，因而对其资料请求为刚度大、质地轻。热气歧管还担负着把高压高温富氢气体从涡轮泵输送到主喷注器的义务，其内部气体的压力约24MPa，气体温度为450~600 ℃。因而通俗采用夹壁构造，以Incoloy 903为内衬套，扞拒高压氢形成的氢脆，采用高强度高温合金Inconel 718为外壁构造资料，由两部门锻件焊成一体，中央通氢气冷却。

　　SSME策划机研制试验历程中浮现过百般各样的故 障，个中很大部门由来是所用资料工艺失当，金属构造资料易产生委靡损坏，密封资料行使机能不足格。SSME策划机的振动境遇对部件资料机能影响很大，简直整个苛重部件所用金属资料均产生过委靡开裂，格外是镍、钴基高温合金。所以，务必提神遴选并厘正资料，进步资料的抗委靡机能。对某些镍基合金如Inconel 718的高压氢脆化敏锐性也应维系足够的鉴戒。其余，还必要不息厘正密封和润滑资料，这对保障策划机的牢靠性有首要事理。

　　SSME策划机正在研制历程中因为资料工艺利用失当而导致障碍及厘正重心睹 外1。

　　外1 SSME策划机正在研制历程中因为资料工艺利用失当而导致的障碍及厘正重心

　　梳理SSME策划陷阱键资料系统：（a）Inconel 718合金，苛重用于创制策划机氧化剂预燃室本体和燃料输入管、高压氧化剂泵叶轮、燃气齐集器、喷注器本体、燃烧室外壳、阀门壳体及弹簧等；（b）MAR-M246定向凝结高温合金，用于创制高压氧泵涡轮叶片；（c）Waspaloy高温合金，用于创制高压氧泵涡轮盘和轴，为避免高压氢脆，需正在盘的枞树形区域镀以38μm厚的锌；（d）K-Monel镍铜合金，苛重用于低压氧化剂泵导流叶轮、转子和定子；（e）L-605钴基高温合金苛重用喷注器与燃烧室邻接密封环；（f）Ti-5Al-2.5Sn钛合金，用于高压氢泵锻制叶轮、推动剂阀门等；（g）NARloy-Z铜银锆合金，含Ag 3%、Zr 0.15%，因为具有高的热导率以及优秀的高温抗委靡机能，格外适适用来创制策划机燃烧室内壁及其他相像机能请求的部件；（h）NARloy-A铜银合金，用于创制预燃烧室电火花焚烧器插入部门、喷注器率流器等；（i）Incoloy 903低膨胀铁镍铬合金，正在高压氢气中具有优秀的抗脆化才华，苛重用于创制策划机高压氧化剂泵涡轮的进口套筒支柱环，热气岐管内衬等，正在预燃烧室部件上，为了避免产生氢脆，正在进口管和燃料导管之间也采用Incoloy 903合金行动过渡环；（j）Rene41镍基高温合金，苛重用于螺栓、螺钉等邻接件的制备；（k）Haynes 188钴基高温合金，具有较高的高温强度与蠕变抗力，优秀的热委靡寿命及耐热震性，可正在氢气压35MPa、应变1.0%下经受高达1000次的轮回，苛重用于预燃烧室内衬套；（l）304L奥氏体不锈钢，用于创制策划机预燃烧室面板构件等；（m）316L奥氏体不锈钢，用于热相易顺蛇形管；（n）Ti-6Al-6V-2Sn钛合金，用作万向架弹簧和环等；（o）440C马氏体不锈钢，用于创制涡轮泵止推滚珠轴承等；（p）17-4PH马氏体浸淀硬化不锈钢，用于创制自调整弹簧。

　　跟着SSME策划机反复行使次数的增补，其闭头部件的资料后续还举办了进一步厘正：（1）策划机氧涡轮轮缘线m/s，叶片应力较大，厥后的ATD厘正型氧涡轮采用了IN100粉末冶金涡轮盘和PWA1480单晶叶片，进一步进步了高压氧涡轮叶盘构造的牢靠性和寿 命；（2）针对超低温用氢泵叶轮，采用粉末冶金热等静压钛合金全体叶轮番换锻制计划，以处分行使及热试车后氢泵叶轮委靡开裂的题目；（3）针对推力室内壁，为进一步进步高温强度和委靡机能，还正在发展铜铬铌以及氧化物弥散深化铜合金的研 究。

　　近年来，针对SLS火箭采用的RS-25策划机（航天飞机主策划机SSME厘正型）喷注器，洛克达因公司还与NASA互助，采用激光粉末床熔融（L-PBF，也称为SLM）增材创制身手举办3D打印全体成形，前后共试车11次，累计试车韶华46s。古板举措创制SLS 策划机喷注器必要6个月韶华，而行使SLM 创制，从成形、扔光到无损检测仅用40h，同时创制本钱下降50%。其余，古板加工工艺必要十几个零件分体创制，而SLM创制能够实行喷注器一体化成形，裁汰工序进步牢靠性的同时，减轻了喷注器的质 量。

　　利用于Space X公司猎鹰9火箭的液氧/火油梅林（Merlin）策划机一经得回了众次飞舞接纳获功，也是至今寰宇上独一实行工程利用的可反复行使液氧/火油火箭策划机。按开辟的韶华顺次起码搜罗Merlin 1A、Merlin 1B、Merlin 1C及其线D及其真空版这六个型号及它们的百般厘正版的衍生型，Merlin 1C和1D如 图5所示。目前渊博行使的梅林Merlin 1D策划机可称得上是寰宇上最先辈的液氧火油火箭策划机之一，而且性价比很 高。

　　燃烧室采用火油冷却金属夹套构造，Merlin 1C及其之前系列策划机内壁为铜合金，外壁为电铸成形镍合金。铜合金招牌未睹报道，臆度与航天飞机行使的是统一招牌，即铜银锆合金，以满意反复行使高委靡机能身手请求。

　　据报道，Merlin 1D新研制了燃烧室，分娩成果大幅擢升，以至能够1d分娩1 台，据此臆度其燃烧室外里壁邻接工艺或许由电铸成形更改成为热等静压扩散邻接（HIP）身手。由于热等静压扩散邻接身手具有分娩周期短和后续加工难度小等利益，其外壁可采用强度高的合金以减轻资料质地及本钱，况且HIP扩散邻接身手已正在美邦RS-68、J-2X、日本LE-X等氢氧火箭策划机中告成利用。臆度Merlin 1D及后续型号推力室内壁资料仍或许为铜银锆合金，外壁资料或许为与RS-68一律的347不锈钢。

　　Merlin 1A策划机采用了碳纤维复合资料行动延迟喷管资料，并采用了相像太空返回舱的烧蚀冷却身手。Merlin 1C及其后续策划机将碳纤维喷管换成了可反复行使的火油再生冷却金属夹层喷管，通过回热冷却，极大地缓解了过热题目，但喷管资料及创制工艺未睹报道。

　　Merlin 1C策划机真空版是Space X公司为猎鹰火箭研发的第一款上面级液氧火油策划机。为省俭本钱和开辟韶华，Merlin 1C、Merlin 1D真空版与相应Merlin 1C、Merlin 1D简直统统相通，只是改用了面积比更大的铌合金喷管，如 图6所 示，单壁构造，外里壁有抗氧化涂层，铌合金资料为C103铌铪合金，喷管成形臆度采用的是板材旋压成形。

　　Merlin 1A策划机的涡轮泵转速最大可达20000 r/min，总质地68kg，采用Inconel 718镍基高温合金（相当于我邦的GH4169合金）创制封头，并采用摩擦焊接加工主轴。涡轮泵外壳采用周详锻制成形，燃料泵采用铝合金创制全体式涡轮叶盘，氧化剂管道则是采用300系列不锈钢。Merlin 1A策划机涡轮泵实物如 图7所 示。

　　Merlin 1B与Merlin 1A策划机比拟做了一系列小的改动，其资料系统与Merlin 1A大致相通。Merlin 1C的涡轮泵大部门组件与Merlin 1B比拟没有什么转化。从Merlin 1D发轫，原Barber-Nichols公司不再为梅林系列供给涡轮泵，新型号的涡轮泵或许是Space X公司自行开辟，也或许是委托其他公司开辟。Merlin 1D涡轮泵转速可抵达惊人的36000r/min，形成7350kW以上的功率，并将液氧和火油加压到20MPa以上。不只云云，正在Merlin 1D后续的厘正版本中，为了满意NASA对另日推广载人义务的安宁性请求，还更调了涡轮叶片。传闻新涡轮叶片采用高密度资料以避免微裂纹的形成，不过的确何种高密度资料未睹报道。

　　液氧/甲烷火箭策划机具有密度比冲高、无毒环保、富燃燃烧积炭少、反复行使、维持利便等利益，是很有成长潜力的可反复行使火箭动力。

　　2011年，Space X公司公告可反复行使火箭的试验器“蚱蜢”项目，提出了大推力液体火箭策划机准备，个中搜罗液氧甲烷策划机，即“猛禽”（Raptor）策划机，实在物及道理如 图8所示。“猛禽”策划机采用了分级燃烧轮回方法，异日将苛重利用于星际运输体例及火星搜索。其资料工艺细节未睹报道，只是有报道称Space X公司针对氧预燃室的高温高压富氧气体带来的资料氧化题目，特意研发了一种耐富氧境遇的SX500合金，由行使境遇臆度，SX500合金或许是一种镍基高温合金。其他资料工艺或许公众与Space X的Merlin 1D策划机大致相当。2016年Space X针对“猛禽”策划机中的推动剂阀、涡轮泵和喷注器组件等采用了增材创制身手创制。同年，马斯克公告Space X公司告成举办了猛禽策划机的初度热试 车。

　　蓝色根源公司从2011年发轫对BE-4液氧/甲烷策划机举办研 制，该策划机采用富氧分级燃烧轮回方法，推力为2400kN，燃烧室压力13.4MPa，可反复次数达25次，将用于协同发射定约公司的“火神”火箭以及蓝色根源公司的“新格伦”火箭。2017 年，蓝色根源完工了首台BE-4策划机的拼装事情（ 图9 ）。由 图9可知，从颜色看，该策划陷阱键部件——推力室和喷管的内壁资料应当都是铜合金，臆度或许是航天飞机利用的委靡机能较好的铜银锆合金。正在可反复行使液体火箭策划机零件增材创制方面，据称该公司的BE-4策划机中的涡轮喷嘴等零件行使了增材创制身手。

　　可反复行使液体火箭策划机推力室身部凡是由高导热的铜合金内壁和镍或不锈钢、高温合金外壁邻接而成。策划机事情时，铜合金内壁资料经过低温——高温的热交变轮回历程，易因低周委靡而妨害，因而是限制推力室行使寿命的闭头成分，也是可反复行使火箭策划机研制中开始务必处分的闭头资料题目之一。

　　针对氢氧火箭策划机，20世纪70年代，NASA道易斯探讨核心发展了无氧铜、铜锆合金和铜银锆（NARloy-z）合金三种内壁资料的圆柱形推力室低周热委靡试验（室压4.2MPa/氢氧搀杂比6.0/喉部热流54MW/ ㎡ ），整个的妨害形式均为通道内壁减薄直至断裂，其结果证据，三种内壁资料中铜银锆合金具有最好的轮回寿命。 外2是三种样板内壁资料机能数据，可睹铜银锆合金的高温强度与导热率和锆铜合金亲昵，是无氧铜的2倍众，但铜银锆合金的测验热委靡轮回次数是锆铜合金的1.6 倍。

　　NARloy-z是一种兼具高导热性和高强度的Cu-3%Ag-0.15%Zr合金，既具有铜合金的高导热性，又因Ag、Zr合金元素的增添而改良了其高温强度，因而可特意用来创制可反复行使液体火箭主策划机燃烧室内壁及具有相像机能请求的部件。美邦航天飞机主策划机推力室身部内壁资料采用的NARloy-z铜银锆合金是可反复行使氢氧、液氧/甲烷火箭策划机推力室身部内壁首选资料。

　　近年来，美邦NASA Glenn探讨核心开辟出一种铜铬铌GRCop-84［Cu-8%（a）Cr-4%（a）Nb］粉末冶金资料，这种Cu-Cr-Nb新合金资料以弥散深化为 主，可正在700 ℃高温下事情。NASA/TM披露的测验结果证据，这种铜铬铌合金GRCop-84比目前行使的铜锆合金、铜银锆合金有更好的机能（传导性、热膨胀、强度、抗蠕变）以及低周委靡（寿命）组合，可用于火箭策划机内衬，况且粉末冶金身手已成为一种低本钱、高成果的推力室内壁的制备举措。

　　近年来，Space X公司的液氧/火油策划机上采用铜银锆合金行动推力室内壁，目前一经过了十几次飞舞验证。俄罗斯液氧/火油策划机推力室身部内壁资料凡是为QCr0.8铬青铜合金，其化学因素请求睹 外3，力学机能请求睹 外4。QCr0.8铬青铜合金正在我邦新一代液氧/火油策划机上也已利用，相对较为成熟，不过正在可反复行使机能上，铬青铜再有待于众次考察和反复行使飞舞验证。

　　推力室身部外壁资料凡是为纯镍、Inconel 718高温合金或不锈钢、高温合金等，凡是较为成熟。

　　按照冷却通道封合方法的区别，分为三种景象：1）扩散钎焊外壳，如能源号RD-0120策划机、YF-100/115；2）电铸镍封合，如SSME、LE-7/LE-7A、火神/火神2策划机、Merlin 1C、YF-75系列/77；3）热等静压扩散邻接（HIP）冷却通道封合，如美邦RS-68、J-2X、Merlin 1D和日本的LE-X、欧空局的火神X策划机。大型液体火箭策划机主燃烧室外里壁邻接身手计划列于 外5。正在可反复行使策划机的外里壁邻接身手方面，航天飞机SSME上采用的电铸镍策划机一经飞舞了25次，马斯克的梅林策划机采用的电铸以及热等静压扩散邻接（HIP）也通过了众次飞舞验证，而俄罗斯及我邦液氧/火油火箭策划机采用的扩散钎焊目前再有待于后续工程反复行使飞舞验证。

　　前苏联的铣槽式构造推力室分4~6段举办创制，凡是行使铜、锰或银、铜涂层做钎料，正在感到加热炉中举办扩散钎焊，然后通过真空电子束焊把各壳段焊正在一块。前苏联的铣槽式构造推力室已用于RD-253、RD-120、RD-170、RD-180和RD-0120等策划机，并正在“质子号”、“天顶号”和“能源号”等运载火箭上得回应 用。

　　RD-0120策划机的燃烧室是一种焊接/钎焊安装构造，由外壳、内衬和氢出口齐集器构成。燃烧室喉部冷却计划优化为最好的氢特色冷却，氢冷却液从喷管上层向高贵动通过燃烧室，出口亲切喷注器搀杂处，再通过外部管道转回喷管上部，正在排出燃烧室之前穿过喷管的整个部门。

　　电铸历程是一个不断电镀的历程，被电铸的零件行动阴极， 金属离子通过电解液浸积到阴极皮相，阳极资料通俗由电浸积正在阴极皮相的金属资料构成。电铸工艺具有成形工艺温度低和成形后精度高的利益。电铸镍封合构造的燃烧室凡是由两种基体合金构成，铜基合金行动内衬，内有冷却通道，镍基合金构造外壳封合冷却通道。

　　用电铸镍封合冷却通道，因为采用的是冷电镀工艺，因而对内壁铜合金资料的死板及物理特色没有影响，况且电铸可实行庞杂几何式样部件的高精度复制成形。针对铜合金内壁，冷却通道的宽度和高度都能够大规模调动，通过电铸将镍电浸积到燃烧室的铜基体上，组成策划机的承载构造。电铸层皮相复制基材的描摹，皮相粗略度较小，有利于下降冷却通道的压力耗损。不过，电铸是一个原子浸积成形，因而创制韶华较长，本钱相对较高。

　　采用铣槽+电铸镍封合构造创制燃烧室的设施如下：a）真空周详锻制、锻制（或者旋压成形）铜合金内壁坯料；b）精车后铣加工铣冷却通道，再车外轮廓；c）用蜡填充冷却通道并使其导电化；d）电镀铜封合冷却通道，避免镍产生氢脆；e）电铸镍外壁；f）退除蜡填 料。

　　热等静压扩散邻接（HIP）燃烧室由三个根本组件组成：构造外壳、单件内衬和众块喉部撑持。内衬凡是选东西有高热传导性的铜基合金，外壳和齐集器选用较高强度的镍基合金，均为锻制完工。燃烧室创制设施如下：a）正在内衬的外貌面加工出冷却通道；b）创制喉部撑持，并安装正在喉部周遭；c）将喉部撑持和内衬一块滑入外壳中；d）安装上前后齐集器后一块正在加压炉中举办HIP邻接。

　　HIP邻接时，悉数安装件被安插正在真空炉中，炉中加压，并加温至肯定温度。正在HIP邻接历程中，从冷却通道和喉部区域的空闲间抽出气氛，抵达真空形态。正在HIP邻接温度以上，压力效率于悉数外壳外貌面以及内衬上，使内衬与外壳直接接触，由此正在内衬和外壳之间形成邻接接头。内衬与喉部撑持之间、喉部撑持与外壳之间也都形成了邻接接头。整个邻接一步完工，不必要额外的夹具对各部件举办强制直接接触。RS-68推力室组件搜罗烧蚀燃烧室内衬、300系列的不锈钢外壳、300系列的不锈钢氧化剂入口球座，以及高强度4130合金钢的推力锥。邻接前必要正在零件的待邻接面上镀焊接合金，如铜内衬上镀金，不锈钢外壳和喉衬上镀镍，然后内衬与外壳严密接触造成扩散连 接。

　　HIP全体邻接举措的好处之一便是不必要庞杂和高贵的压力包套和构造撑持外壳夹具。因而，这种创制举措分娩周期短，且后续加工难度小。

　　可反复行使氢氧或液氧/甲烷策划机中氢（或甲烷）泵叶轮具有式样庞杂、工况阴恶（超低温区、高转速）、对资料机能及产物牢靠性请求极上等特性。目前，氢（或甲烷）泵叶轮公众为超低间隙钛合金［Ti-6Al-4V ELI（相当于我邦的TC4ELI）］或Ti-5Al-2.5Sn ELI（相当于我邦的TA7ELI）等资料创制，液氢温区采用Ti-5Al-2.5Sn ELI，液氧及其以上温区采用Ti-6Al-4V ELI。叶轮分娩工艺已由锻制成形向锻件分步加工后焊接成形以及厥后的粉末冶金成形工艺成长。

　　美邦航天飞机采用的是Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金锻制成形。日本等邦度行使了锻件分部加工再焊接为一体的工艺创制，行使机能相对铸件而言略好，但其事情转速仍受到束缚。俄罗斯采用先辈的粉末冶金身手，开始研制出了式样庞杂的全体粉末钛合金氢泵叶轮，具有极高的行使机能，并正在RD-0120等型氢氧策划机上得回利用。美邦后续研制的RS-83可反复行使氢氧策划机以及SSME后续厘正中的氢泵叶轮也采用低温钛合金粉末冶金全体成形。

　　可反复行使策划机氧涡轮泵正在高温高压、额外介质、高速扭转和交变应力等苛刻庞杂要求下事情，资料遴选是一个极其首要题目。

　　涡轮盘是航天策划机具相闭键特色的主旨部件，对策划机和航天器的牢靠性、安宁寿命与机能进步具有断定性影响。早期欧美邦度可反复行使策划机氧涡轮泵涡轮盘选用了铸锻Waspaloy合金，该合金正在760 ℃以下具有高的拉伸和良久强度，正在870 ℃以下具有优秀的抗氧化机能，且有优秀的强韧化成亲，正在行使机能上体现出很低的裂纹扩展速度，这对创制涡轮盘件来说是至闭首要的。Waspaloy合金760 ℃下的抗拉强度为810~880MPa，815 ℃下10h的良久强度为390~410MP a。

　　粉末高温合金崛起后，美邦航天飞机采用粉末冶金IN-100涡轮盘替换了Waspaloy合金，前者欺骗疾捷凝结粉末通过热等静压以及超塑性等温锻变成形。该合金中γ相含量高，有较高强度，且粉末热等静压工艺使合金构制匀称微细，保障了较高的行使机能和最小的机能离别性，进步了涡轮盘的无缺性和牢靠性。因而，涡轮盘批量分娩时具有较好的质地平稳性和经济性。粉末冶金IN-100合金815 ℃下的抗拉强度高于1000MPa，815 ℃下10h的良久强度高于630MP a。对照Waspaloy合金机能可知，粉末冶金IN-100高温合金的高温强度和高温良久机能有了较大进步。

　　策划机氧涡轮轮缘线m/s，叶片应力较大，容易导致微裂纹形成扩展使部件失效。针对这些题目，美邦航天飞机SSME策划机氧涡轮泵涡轮叶片用资料最早选用了Mar-M246定向凝结高温合金，该合金有很好的锻制机能，易于铸成叶片，同时合金焊接机能优秀，以至能够与不锈钢比拟。定向凝结高温合金是高温合金熔体正在铸型中举办凝结时，通过肯定方法驾驭晶核的造成去处，造成简直都是彼此平行的柱状晶。倘使叶片通过定向凝结制备而成，且其结晶倾向与叶片所受应力倾向平行，那么叶片的承力才华或耐温才华就大大进步，同时效率正在晶界上的应力会最小，从而延缓裂纹造成并增补蠕变良久寿命。Mar-M246合金区别温度下的拉伸机能睹 外6。

　　厥后，跟着可反复行使策划机对氧涡轮泵涡轮叶片的牢靠性进一步进步以及新资料研制提高，美邦SSME策划机涡轮叶片选用了单晶锻制高温合金PWA 1480替换了Mar-M246定向凝结高温合金。单晶锻制高温合金是指悉数铸件仅由一个晶粒构成的锻制高温合金。PWA 1480合金去除了硼、锆、铪等晶界深化元素，进步了合金的熔化温度开始点，从而使固溶措置温度能够适合进步，以得回更微细、弥散的γ相，使合金的潜力取得更充裕外现。单晶PWA1480高温合金的承温才华比当时最好的定向凝结锻制高温合金PWA l422进步了25 ℃，自从1982年发轫服役，服役韶华赶上5×1 0^6h。

　　为了适宜该前工业身手成长趋向，进步资料分娩加工与利用历程的工艺性与经济性，近年来，欧美邦度浮现了全体叶盘创制工艺。全体叶盘是把策划机涡轮盘和叶片打算成一个全体，无须加工榫头和榫槽。这种构造的利益是：叶盘的轮缘径向高度、厚度和叶片原榫头部位尺寸均可大大减小，减重功效清楚；策划机转子部件构造大大简化；避免了叶片与轮盘安装失当变成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏带来的障碍。全体叶盘创制工艺不只进步了策划机的事情成果，也进一步擢升其牢靠性。

　　针对可反复行使策划机氧涡轮泵全体叶盘可采用直接热等静压成形方法制备，其利益正在于这种工艺可实行近净成形，能以最小的加工余量和简化工序制成亲昵零件最终式样的半制品叶盘。这不只减省大批珍奇的策略元素，同时能够不依赖大型挤压机和等温锻制兴办。因而发展高压氧泵全体叶盘用高机能粉末高温合金资料及直接热等静压身手探讨诟谇常有心义的。

　　目前欧美邦度可反复行使策划机氧涡轮泵壳体资料众采用锻制IN718合金，该合金的苛重深化相是γ，与γ基体点阵错配度较大，共格应力深化效率明显，正在低温和650 ℃以下具有高的强度和优异塑性，合金构制对照平稳，元素的扩散速率较低，无论正在固溶形态或者时效形态都具有优秀的成形性和焊接性，分外适适用作低温和超低温构造件。不过，锻制构件存正在难以避免的松散、缩孔、偏析等缺陷，牢靠性低落，制品率较低。氧涡轮泵壳体构件式样庞杂，尺寸精度请求高，而锻制IN718合金加工难题，资料欺骗率低，分娩本钱居高不下。热等静压工艺举措能够避免锻制缺陷的形成，同时构制微细匀称，且能实行近净成形，大大进步资料欺骗率，有用下降本钱。因而发起采用热等静压粉末冶金工艺替换锻制工艺分娩IN718合金构件，但必要发展相干的身手探讨，以满意可反复行使策划机氧涡轮泵壳体资料需求。

　　针对接触高压氢境遇的齐集器或管道用资料，肯定要思量抗氢脆。SSME策划机研制初期，热相易器蛇形管、喷管高压氢输送导管等采用了Inconel 718合金，但正在试验历程中产生开裂透露，厥后内衬加上了抗氢脆机能更好的Inocel 903合金，处分了这一题目。

　　关于可反复行使氢氧策划机来说，高压氢境遇效应是高温合金利用中弗成避免的一个大题目，它的苛重影响是氢原子的渗入会导致大大批铁、钴、镍基高温合金产生清楚的塑性低落，以及肯定的强度低落，同时会下降轮回委靡寿命，推进裂纹孕育率的增补。

　　Inconel 718合金（相当于我邦的GH4169合金）凡是以为抗氢脆机能较好，但正在高压氢境遇下，其会变脆。这一点肯定要惹起我邦策划机打算职员的偏重。由于我邦遍及以为GH4169合金利用于液氢境遇凡是没有题目，而且现正在YF-75、YF-77氢氧策划机恰是云云利用。现正在没有浮现题目的由来，或许是现正在的策划机为一次性行使，试车韶华较短，也或许是咱们的策划机氢的压力还未抵达临界值，或者两者兼而有之。

　　Inconel 718合金是以体心四方的γ（Ni３Nb）和面心立方γ（Ni３（Al，Ti，Nb）深化的镍基合金，正在-253~700 ℃内具有优秀的归纳机能，650 ℃以下的投降强度居变形高温合金的首位，具有优秀的抗委靡、抗辐射、抗氧化、耐腐化机能，以及优秀加工机能、焊接机能和历久构制平稳性。

　　Incoloy 903（相当于我邦的GH2903）是Fe-Ni-Co基浸淀硬化型变形高温合金，其合金因素和样板拉伸机能区分睹 外7和 外8。该合金特性是正在较宽的温度规模内具有低的热膨胀系数和简直恒定的弹性模量，当行使温度正在650 ℃以下时，具有较高的强度、优秀的抗冷热委靡机能、焊接机能以及抗高压氢脆等才华。

　　为明晰决Inconel 718合金高压氢脆题目，美邦正正在探讨一种强度不低于Inconel 718合金、同时耐高压氢的粉末冶金高强合金NASA-23，用来代庖渊博行使的Inconel 718。NASA-23合金是以Incoloy 903合金为原型，增补Cr元本质地分数到10%独揽，其主因素为：Fe-32Ni-15Co-10Cr-3Nb-2.5Ti-0.15Al。与Incoloy 903合金比拟，NASA-23合金因铬元素增补而进步了抗氧化机能，美邦估计会利用正在后续的可反复行使运载火箭中。

　　目前我邦液体火箭策划机凡是以满意运载火箭一次性行使为打算凭借，寻觅最高的机能和推重比是策划机打算的宗旨，零组件的委靡加倍是高周委靡题目凡是不作要点思量。异日的可反复行使运载器请求液体火箭策划机务必具备可反复行使才华，事情寿命与一次性行使请求比拟进步几十倍，要实行这种身手逾越，不只要对策划机全寿命周期载荷谱下的委靡寿命举办打算，对闭头零组件举办需要的委靡和牢靠性试验验证，还务必采用先辈的资料和创制工艺从源流上保障零组件的委靡寿命，从而保障策划机事情寿命和牢靠性抵达可反复行使的请求。

　　我邦目前正在可反复行使液体火箭策划机的闭头身手探讨 中，涉及资料及工艺身手的较少，只对推力室用铜银锆合金发展了搜索探讨，以替换目前利用的锆铜/铬青铜合金，进步推力室的委靡机能。其他资料都是借用现一次性运载火箭中策划机用资料，而现用涡轮泵、推力室、燃气齐集器等闭头部位构件用资料事情寿命或许满意不了与一次性行使请求比拟进步几十倍的请求，与海外用闭头样板资料机能差异睹 外9。可知，邦内涡轮盘用高温合金资料处于第二至第三代之间，与海外第四代的粉末冶金高温合金比拟差异较大；邦内推力室内壁资料已经以第二代锆铜/铬青铜合金为主，海外行使已久的第三代铜银锆合金热委靡机能是铜锆合金的1.6倍，对照之下，邦内闭头资料系统与邦皮毛应资料系统相差一到两代。

　　邦内液氧/火油火箭策划陷阱键资料与 外9内邻近，推力室及预燃室内壁资料均为铬青铜QCr0.8，外壁为S-03/06马氏体时效不锈钢，涡轮泵的涡轮盘为GH4586镍基合金，燃气进出口壳体和涡轮静子是GH4202抗氧化高温合金，氧化剂离心轮是S-04锻制马氏体时效不锈钢，涡轮泵壳体是S-03/06马氏体时效不锈钢、TC 4。

　　液氧甲烷策划机方面，邦内探讨单元区分采用了电铸和钎焊工艺举办推力室外里壁邻接，目前一经实行了众次热试车考察。近年来贸易航天正在液氧甲烷策划机上也采用了电铸和钎焊工艺举办策划机推力室外里壁邻接，电铸工艺一经通过众次热试车考察，钎焊工艺目前正正在举办工艺攻闭。但闭于外里壁热等静压扩散邻接（HIP）工艺探讨报道不众。

　　邦内正在液体火箭策划机构件增材创制身手方面，也发展了极少探讨，研制出了氢氧策划机氧泵壳体、氧泵进气壳体以及某上面级策划机中的起动器、产生器出口管、排风管等并飞舞成 功。其余，通过对增材创制身手的探讨，还实行了航天大型钛合金骨架、支座、位移接一级大尺寸、庞杂构造难加工金属资料的高效创制，从而进步了资料欺骗率，下降了分娩本钱，加疾了研制经过。

　　可反复行使策划机的事情寿命与一次性行使请求比拟进步几十倍，因而，可反复行使火箭策划机对闭头部件的归纳机能提出了极高的请求，如力学机能、构造机能、性能机能、耐崎岖温、耐介质以及策划机全寿命周期载荷谱下的委靡寿命等特色。要从源流上保障零组件的归纳机能，务必采用先辈的资料及成形工艺身手。

　　凭借海外反复行使液体火箭策划机的研制近况和身手成长，针对异日我邦的可反复行使液体火箭策划机，邦内先辈新型资料工艺身手及工艺成形身手的成长倾向归纳为如下几个苛重方面：

　　新资料身手方面：（1）铜银锆合金、铜铬铌合金以及氧化物弥散深化铜合金等高机能铜合金资料及利用身手，以满意高委靡寿命和更高行使温度的推力室内壁需求；（2）航天用高机能粉末高温合金资料身手；（3）高机能低温钛合金资料身手；（4）高机能密封资料身手，搜罗高机能银合金资料、涡轮泵动密封用高机能石墨资料以及阀门用长命命密封资料等；（5）新型涂层身手，搜罗耐富氧燃气的金属皮相长命命涂层身手以及长命命推力室用身部内壁皮相复合热障涂层资料身手等；（6）喷管延迟段用轻质抗冲洗C/C复合资料及其创制身手，以适宜异日可反复行使运载器一次入轨轻质化需求等。

　　新型成形工艺身手方面：（1）高温合金和钛合金等周详锻制成形身手；（2）异种金属资料焊接及特种金属资料高能束焊接身手；（3）增材创制身手，以适宜喷注器、壳体等精采、庞杂构件的周详、一体化、全体化成形；（4）高强疾捷电铸身手；（5）热等静压（HIP）粉末冶金成形及HIP扩散邻接身手，降服了增材创制（3D打印）身手自己无法避免的剩余应力、微裂纹、孔洞等缺陷导致的委靡机能低的问 题，以适宜泵叶轮和涡轮盘等扭转闭头零件的高周委靡以及高密度功率的服役请求。

　　策划机资料身手是异日可反复行使液体火箭务必处分的身手困难之一。新一代可反复行使液体火箭的特性请求策划机资料满意耐温更高、耐介质、可反复行使、耐高周委靡、高牢靠性以及低本钱等请求。经由长韶华成长和积攒，液氧火油、液氢液氧等策划机资料与工艺获得了很大发扬，但现有的资料身手仍面对苛苛挑拨。异日针对可反复行使液体火箭策划机资料身手的探讨，体现出以下趋向：开始，以航天飞机为根源的资料与构造更始不息获得新发扬，正在新型飞舞器研制和成长中无间外现闭头效率；其次，一种飞舞器观点牵引一代资料和构造的成长，资料种别和构造景象展示众样化成长态势；以轻量化、一体化为宗旨的资料与构造更始鼓动资料的提高和成长。

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