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    NASA純干貨分享:采用3D打印研制火箭發(fā)動(dòng)機的失敗教訓與經(jīng)驗總結(重新認識構建過(guò)程)

    發(fā)布時(shí)間:2023-04-07 17:34:30

    ?導讀:對于航天發(fā)射來(lái)說(shuō),出現故障導致發(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)機已經(jīng)再以接近性能極限的方式運行,了解故障的原因至關(guān)重要。在競爭激烈的商業(yè)航天業(yè)務(wù)中,分享經(jīng)驗教訓的現象非常鮮見(jiàn)。而NASA卻不斷有新的知識分享,本期內容將介紹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對采用3D打印研制的火箭發(fā)動(dòng)機一次故障的見(jiàn)解。

    20世紀60年代,阿波羅計劃將人類(lèi)送上月球,用牛皮紙繪圖桌和手工機器制作零件的時(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)系統設計和開(kāi)發(fā)中的普及?當團隊試圖同時(shí)理解太空飛行和硬件設計的復雜物理過(guò)程時(shí),多次開(kāi)發(fā)的火箭發(fā)動(dòng)機故障還會(huì )發(fā)生嗎?如果他們有增材制造技術(shù),他們能更快的執行設計-故障修復嗎?然而,即使3D打印的優(yōu)勢在設計、測試和生產(chǎn)中完全實(shí)現,火箭發(fā)動(dòng)機的物理仍然具有挑戰性?;鸺l(fā)動(dòng)機必須在極端的環(huán)境中工作:如果有可能出錯,它就會(huì )出錯。

    因此,系統實(shí)現重要的基礎、過(guò)程控制和關(guān)鍵集成需求是必要的。顯而易見(jiàn)的是,設計、制造和組裝復雜火箭推進(jìn)系統的部件涉及大量資源——時(shí)間、資金和技能——以實(shí)現最終目標,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,以減少測試時(shí)間和設計-故障-修復周期的迭代

    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,以減少測試時(shí)間和設計故障修復周期的迭代。3D打印在火箭上的其他優(yōu)勢已經(jīng)實(shí)現,包括降低總體成本、加快進(jìn)度,零件整合,實(shí)現復雜特征制造,以及使用新型合金來(lái)提高性能。NASA改變游戲規則開(kāi)發(fā)計劃下的“長(cháng)壽命增材制造組件項目(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

    該項目的目的是評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)行硬件設計和分析,管理硬件需求的采購和集成,以及對子組件進(jìn)行一系列熱測試,高溫系列測試的目標是在單個(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化為動(dòng)能來(lái)產(chǎn)生推力。對于高性能高壓發(fā)動(dòng)機系統,燃燒室和排氣噴嘴通常采用復雜的內部冷卻進(jìn)行再生冷卻。

    在LLAMA項目下測試的硬件

    燃燒氣體溫度可接近3300°C,壓力可經(jīng)常超過(guò)50bar。如果不使用系統中的推進(jìn)劑主動(dòng)冷卻腔壁,腔室幾乎會(huì )在瞬間熔化;但這推力室的壁厚很薄,這對傳統制造來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰。這是引入3D打印技術(shù)的一個(gè)巨大機會(huì ),為推力室創(chuàng )造這些具有良好特征的復雜冷卻通道,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,采用傳統制造通常包含數百個(gè)焊接在一起的部件,3D打印簡(jiǎn)化了其結構。再生冷卻噴嘴在冷卻壁和燃燒室方面面臨著(zhù)類(lèi)似的挑戰,但必須大規模制造。

    LLAMA項目開(kāi)始設計和測試所有這些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項目中3D打印的GRCop-42燃燒室和C-C噴嘴的成功進(jìn)行熱測試

    燃燒室選用的合金為GRCop-42,其具有良好的材料性能,如高導熱系數,高抗蠕變性能,延長(cháng)的低周疲勞壽命,增強的抗氧化性能,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)行了的熱火測試,累計超過(guò)40000秒,啟動(dòng)次數超過(guò)1100次。其中包括單個(gè)推力為10千牛的GRCop-42燃燒室,累計啟動(dòng)次數超過(guò)188次,時(shí)間超過(guò)8030秒。

    LLAMA項目成功測試的一個(gè)推力室獲得了51個(gè)滿(mǎn)足項目的指標,這一成功促使團隊測試第二個(gè)腔室,它與成功測試的上一個(gè)腔室在相同的建造板上制造,使用相同的加工步驟。該測試有望提供關(guān)于重復性和性能指標的更多過(guò)程數據。

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

    第九次測試中GRCop-42腔室測試失敗

    測試關(guān)閉后斷開(kāi)的腔室

    深入評估失敗原因

    這一異常測試的發(fā)生促使了深入的工藝評估。評估考察了測試過(guò)程、排序、硬件、3D打印構建過(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、清洗和檢查數據。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

    對構建記錄的進(jìn)一步調查顯示了關(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,構建記錄表明沒(méi)有異常,HIP參數是正確的,其他后處理操作都符合預期。

    構建中斷引起懷疑

    層紋被定義為3D打印零件表面上與構建平面平行運行的清晰可區分的線(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,通常在構建停止和中斷期間形成。測量了每條可見(jiàn)層紋的高度,并與指示構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,但形成的機制完全不同。

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

    例如,PBF-LB機器沖入保護氣體的過(guò)程導致每個(gè)部件暴露在開(kāi)放的空氣中不到60分鐘(猜測可能有其他原因導致中途充氣);在電源故障導致構建中斷的情況下,PBF-LB構建室保持密封,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。

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

    對測試斷裂的C2失效腔室的斷裂表面進(jìn)行評估,當第一次用肉眼觀(guān)察時(shí),很明顯斷裂面是平面的,但有兩個(gè)明顯的區域輕微變形為杯狀。這些“杯狀”區域大致位于首次觀(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建造成了粒子之間嚴重缺乏熔合,這可能導致力學(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,斷口表面表現出不規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/鈮比略高于規范要求。眾所周知,過(guò)量的氧氣會(huì )降低電導率、高溫強度和抗蠕變性能,導致疲勞裂紋萌生部位。

    模擬結果加深疑慮

    為了完全回答這些類(lèi)型的建造中斷和重新啟動(dòng)是如何導致層紋處機械性能下降的,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)測試,以確定構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分布的孔隙,同時(shí)在層紋周?chē)紫抖鹊木奂?/p>

    從未測試腔室層紋位置取出的微拉伸標本

    微拉伸測試結果顯示,與在不受層紋影響的區域采集的對照樣品相比,極限拉伸強度(UTS)降低了30%,失效應變也降低了80%,表明材料處于脆性狀態(tài)。這可能會(huì )導致層紋的承重能力下降,以及循環(huán)應變降低。

    實(shí)驗室內的拉伸測試數據最初讓研究小組相信,建造中斷可能會(huì )導致性能下降,但來(lái)自模擬建造中斷樣本的拉伸測試數據卻是一個(gè)不同的結果。在斷電和充氣情況下,模擬試樣的平均拉伸數據與對照試樣幾乎相同。

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

    疲勞測試也表明不同類(lèi)型的重啟和控制樣品之間的疲勞壽命沒(méi)有差異。該模擬樣本數據證實(shí),在適當的重新啟動(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致了層紋處孔隙度的增加。

    帶有層紋的模擬樣品和對照樣品與預期的韌性破壞斷口面一致:典型的杯狀和錐狀。微拉伸樣品作為對照,來(lái)自一個(gè)沒(méi)有層紋的區域,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合。

    這一觀(guān)察結果讓團隊不安,因為所有構建記錄都表明機器運行正常。使用的PBF-LB參數和硬件之前已經(jīng)使用相同的GRCop-42合金建造了數十個(gè)燃燒室,這些燃燒室的密度接近100%,并成功測試。

    失效評估結果

    這次評估的結果表明了導致腔室失效的幾個(gè)因素:在構建中斷線(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構疲勞,導致了熱測試期間的過(guò)載。試驗腔室中的孔隙率總體上比GRCop-42的典型PBF-LB構建高得多,還觀(guān)察到孔隙率隨著(zhù)構建的高度而增加。

    總結經(jīng)驗

    任何用戶(hù)為零件生產(chǎn)準備的開(kāi)發(fā)路徑將根據項目的需求和最終目標而有所不同。它可能是用于迭代設計原型的早期開(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)驗教訓獲得對整個(gè)增材制造過(guò)程更多的解。參數、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)鍵的航天應用組件。NASA還與商業(yè)伙伴合作,將相關(guān)設計和部件用于航天器和運載火箭系統。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證對其安全使用至關(guān)重要。

    為了支持3D打印工藝和材料的認證,NASA制定了一項名為NASA- std -6030“航天系統增材制造要求”的技術(shù)標準,該標準為3D打印硬件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)建立了政策框架。NASA-STD-6030的主要理念是認識到3D打印材料是高度工藝敏感的,因此良好的基礎工藝控制邏輯為可靠的零件設計和生產(chǎn)提供了基礎。

    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。

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

    構建重新啟動(dòng)對當前的設備和保障能力來(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,因為構建中斷可能與相對于流程名義上的穩態(tài)操作的有害物質(zhì)缺陷的更高風(fēng)險相關(guān)。因此,如果組件允許重新構建,那么為每種合金開(kāi)發(fā)合適的構建重新啟動(dòng)程序并記錄是至關(guān)重要的。

    重啟程序應包括但不限于記錄停止的原因,最大允許停止時(shí)間,搭建平臺冷卻限制,位置、以及最后一部分層的條件。適當的重新啟動(dòng)研究包括機械測試數據和微觀(guān)結構特征,破壞性物品評估,視覺(jué)和體積檢查,以及現場(chǎng)監測系統數據。這為團隊提供了必要的信息,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構。在構建開(kāi)始之前,應該就標準和合格程序的列表達成一致。

    如果在飛行硬件生產(chǎn)環(huán)境中發(fā)生了計劃外的構建中斷,這些中斷事件需要被記錄下來(lái),并在構建生產(chǎn)中作為不符合項進(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)之間對腔室的層紋進(jìn)行了預先測試檢查或進(jìn)行了一些原位無(wú)損評估,則可以發(fā)現明顯的缺乏熔合缺陷。

    然而,對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)組件所需的仔細和嚴格的實(shí)踐,特別是如果想排除未檢測到的故障模式,防止潛在的災難性后果。

    LLAMA項目證明了一點(diǎn),盡管團隊最初對一個(gè)腔室進(jìn)行了51次測試,以達到項目目標。在設計、分析、制造、組裝和工藝規劃方面的所有艱苦工作都在測試臺上達到頂峰,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)驗教訓的總結是為了走向最終的成功。

    來(lái)源:3D打印技術(shù)參考

     

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