NASA纯干货分享:采用3D打印研制火箭发动机的失败教训与经验总结(重新认识构建过程)

2023-04-07 15:39
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对于航天发射来说,出现故障导致发射失败是常有的事情,尤其是在研制之初。然而,由于火箭发动机已经再以接近性能极限的方式运行,了解故障的原因至关重要。在竞争激烈的商业航天业务中,分享经验教训的现象非常鲜见。而NASA却不断有新的知识分享,本期内容将介绍NASA材料和增材制造副技术研究员Alison Park和首席工程师Paul Gradl对采用3D打印研制的火箭发动机一次故障的见解。

20世纪60年代,阿波罗计划将人类送上月球,用牛皮纸绘图桌和手工机器制作零件的时代的工程师们会如何看待各种增材制造技术在火箭推进系统设计和开发中的普及?当团队试图同时理解太空飞行和硬件设计的复杂物理过程时,多次开发的火箭发动机故障还会发生吗?如果他们有增材制造技术,他们能更快的执行设计-故障修复吗?然而,即使3D打印的优势在设计、测试和生产中完全实现,火箭发动机的物理仍然具有挑战性。火箭发动机必须在极端的环境中工作:如果有可能出错,它就会出错。

因此,系统实现重要的基础、过程控制和关键集成需求是必要的。显而易见的是,设计、制造和组装复杂火箭推进系统的部件涉及大量资源——时间、资金和技能——以实现最终目标,这始终都是为了安全成功的完成任务。 NASA马歇尔太空飞行中心正在充分利用3D打印技术用于火箭推进系 统,以减少测试时间和设计-故障-修复周期的迭代

NASA马歇尔太空飞行中心目前正在充分利用3D打印技术用于火箭推进系统,以减少测试时间和设计故障修复周期的迭代。3D打印在火箭上的其他优势已经实现,包括降低总体成本、加快进度,零件整合,实现复杂特征制造,以及使用新型合金来提高性能。NASA改变游戏规则开发计划下的“长寿命增材制造组件项目(LLAMA)”就是帮助推进该技术成熟的努力。

51次的成功之后发生失败

该项目的目的是评估激光束粉末床熔融工艺(PBF-LB)与GRCop-42(铜铬铌)合金用于制造高占空比火箭燃烧室组件的可行性。任务包括开发和完善PBF-LB工艺和GRCop-42合金,进行硬件设计和分析,管理硬件需求的采购和集成,以及对子组件进行一系列热测试,高温系列测试的目标是在单个燃烧室组件上满足至少50次启动。

一个典型的用于化学推进的火箭推力室组件(TCA)有三个主要的子组件:喷射器、燃烧室和排气喷嘴。TCA的功能仅仅是通过提供燃烧并将热能转化为动能来产生推力。对于高性能高压发动机系统,燃烧室和排气喷嘴通常采用复杂的内部冷却进行再生冷却。


在LLAMA项目下测试的硬件

燃烧气体温度可接近3300°C,压力可经常超过50bar。如果不使用系统中的推进剂主动冷却腔壁,腔室几乎会在瞬间熔化;但这推力室的壁厚很薄,这对传统制造来说是个挑战。这是引入3D打印技术的一个巨大机会,为推力室创造这些具有良好特征的复杂冷却通道,已经成为商业航天领域的普遍做法。

喷射器也不是一个简单的零件,采用传统制造通常包含数百个焊接在一起的部件,3D打印简化了其结构。再生冷却喷嘴在冷却壁和燃烧室方面面临着类似的挑战,但必须大规模制造。

LLAMA项目开始设计和测试所有这些3D打印组件,使用PBF-LB制造注射器和燃烧室,使用激光束粉末定向能力沉积制造再生冷却喷嘴。


LLAMA项目中3D打印的GRCop-42燃烧室和C-C喷嘴的成功进行热测试

燃烧室选用的合金为GRCop-42,其具有良好的材料性能,如高导热系数,高抗蠕变性能,延长的低周疲劳寿命,增强的抗氧化性能,能够在接近800°C的高温下具有较高的拉伸强度。在使用PBF-LB工艺进行加工时,这些材料属性仍然保持。该材料在2019年开发成功后,已成为推力室组件制造的首选合金。

NASA对多个使用GRCop-42和GRCop-84制造的燃烧室成功进行了的热火测试,累计超过40000秒,启动次数超过1100次。其中包括单个推力为10千牛的GRCop-42燃烧室,累计启动次数超过188次,时间超过8030秒。

LLAMA项目成功测试的一个推力室获得了51个满足项目的指标,这一成功促使团队测试第二个腔室,它与成功测试的上一个腔室在相同的建造板上制造,使用相同的加工步骤。该测试有望提供关于重复性和性能指标的更多过程数据。

2021年2月,NASA启动了一系列测试,同样的条件也在第二个腔室中运行,并成功测试了8次,但之后一个实验性的C-C喷嘴出现了故障,并最终被火焰吞没。实验人员按照正确的指令顺序关闭测试程序,发现推力室断成了两截。


第九次测试中GRCop-42腔室测试失败


测试关闭后断开的腔室

深入评估失败原因

这一异常测试的发生促使了深入的工艺评估。评估考察了测试过程、排序、硬件、3D打印构建过程、检查和其他记录的所有方面,在高速视频中观察到一个可视裂缝和泄漏。

评估的第一步是收集燃烧室加工步骤的历史,包括粉末给料、3D打印制造工艺和建造后工艺,包括热等静压(HIP)、加工、清洗和检查数据。这个腔室与其他三个一起建造——其中两个是相同的建造模型——在同一个建造板上制造。“双生”燃烧室刚刚完成了广泛的高温系列测试,累积了51次启动和近1000秒的时间。


燃烧室泄漏的瞬间

对构建记录的进一步调查显示了关于这四个腔室的一些重要信息,在制造过程中既有有意的也有无意的制造中断。这些中断的历史在零件表面留下了层纹,除了这些中断之外,构建记录表明没有异常,HIP参数是正确的,其他后处理操作都符合预期。

构建中断引起怀疑

层纹被定义为3D打印零件表面上与构建平面平行运行的清晰可区分的线,这是由层扫描时间(零件可能会冷却)和层厚度的变化引起的,通常在构建停止和中断期间形成。测量了每条可见层纹的高度,并与指示构建停止的切片层位置一致。虽然层纹与其他表面看起来相似,但形成的机制完全不同。


三个腔室来自同一次构建:箭头1和2表示停电,箭头3和箭头4表示排空溢流;1号腔室(C1)没有测试,2号(C2)是测试断开的腔室,3号 (C3)测试成功51次

例如,PBF-LB机器冲入保护气体的过程导致每个部件暴露在开放的空气中不到60分钟(猜测可能有其他原因导致中途充气);在电源故障导致构建中断的情况下,PBF-LB构建室保持密封,但没有主动清洗腔室气氛。停电中断的时间分别为10分钟和120分钟。

第二次构建中断位于腔室的桶形部分,测试腔室断开的位置与层切片精确相关,因此受到了很多关注。该团队使用了与故障腔室一起额外制造的C1腔室来帮助评估材料和加工过程。未测试腔室允许对精确的层纹位置进行表征,以确定缺陷、微观结构、化学和机械测试,从而了解故障并提供大量数据。

对测试断裂的C2失效腔室的断裂表面进行评估,当第一次用肉眼观察时,很明显断裂面是平面的,但有两个明显的区域轻微变形为杯状。这些“杯状”区域大致位于首次观察到泄漏的圆周位置。在光学显微镜下,断口表面显示扫描模式为平行线穿过表面。这可能表明,在这条层纹上的重新构建造成了粒子之间严重缺乏熔合,这可能导致力学性能降低。

在扫描电子显微镜下,由于较高的孔隙率和缺乏粉末颗粒熔合,断口表面表现出不规则的孔隙形状和较低的变形程度。通过电感耦合等离子体和惰性气体聚变进行的化学分析表明,该腔室的氧含量和铬/铌比略高于规范要求。众所周知,过量的氧气会降低电导率、高温强度和抗蠕变性能,导致疲劳裂纹萌生部位。

模拟结果加深疑虑

为了完全回答这些类型的建造中断和重新启动是如何导致层纹处机械性能下降的,直接从腔室中提取了微拉伸试样。除了这些样品外,还构建了模拟的建造中断样品,模拟停电环境和时间,以及其他事件和时间。从这些模拟样品中,进行了拉伸和低周疲劳力学测试,以确定构建中断和重启的影响。

在腔室层纹(C1)切除的微拉伸试样表明,与腔室的其余部分相比,其孔隙率接近2%。与GRCop-42的典型PBF-LB构建中观察到的接近100%的密度相比,即使是0.5%的孔隙率也非常高。从腔室中取出切片并采集光学显微镜图像,可以明显看出,该材料具有较高的随机分布的孔隙,同时在层纹周围孔隙度的聚集。


从未测试腔室层纹位置取出的微拉伸标本

微拉伸测试结果显示,与在不受层纹影响的区域采集的对照样品相比,极限拉伸强度(UTS)降低了30%,失效应变也降低了80%,表明材料处于脆性状态。这可能会导致层纹的承重能力下降,以及循环应变降低。

实验室内的拉伸测试数据最初让研究小组相信,建造中断可能会导致性能下降,但来自模拟建造中断样本的拉伸测试数据却是一个不同的结果。在断电和充气情况下,模拟试样的平均拉伸数据与对照试样几乎相同。


极限强度(UTS)、屈服强度(YS)和延伸率无显著差异,试样的密度接近100%,拉伸性能良好

疲劳测试也表明不同类型的重启和控制样品之间的疲劳寿命没有差异。该模拟样本数据证实,在适当的重新启动程序后,显示层纹的部件并不一定会减弱材料性能。可能还有其他操作或工艺敏感的因素导致了层纹处孔隙度的增加。

带有层纹的模拟样品和对照样品与预期的韧性破坏断口面一致:典型的杯状和锥状。微拉伸样品作为对照,来自一个没有层纹的区域,也显示了破裂前的变形和颈缩。C1腔室微拉伸试样断口层纹显示,断口呈高颗粒状,但变形较小,断口有大量未熔化的粉末颗粒,气孔不规则,可见扫描/熔融模式。这表明,观察到的孔隙度是由于缺乏熔合和没有足够的能量来完全熔化粉末并与上一层良好结合。

这一观察结果让团队不安,因为所有构建记录都表明机器运行正常。使用的PBF-LB参数和硬件之前已经使用相同的GRCop-42合金建造了数十个燃烧室,这些燃烧室的密度接近100%,并成功测试。

失效评估结果

这次评估的结果表明了导致腔室失效的几个因素:在构建中断线处有大量的孔洞,在HIP过程中,由于尺寸太大没有完全闭合,这减少了层纹周围的承载面积。这种承载面积的减少,加上这些表面的热疲劳和结构疲劳,导致了热测试期间的过载。试验腔室中的孔隙率总体上比GRCop-42的典型PBF-LB构建高得多,还观察到孔隙率随着构建的高度而增加。

总结经验

任何用户为零件生产准备的开发路径将根据项目的需求和最终目标而有所不同。它可能是用于迭代设计原型的早期开发部分,也可能是用于载人航天的关键组件。无论路径可能是什么,本行业可以从NASA的经验教训获得对整个增材制造过程更多的解。参数、原料或其他工艺的微小变化都会影响零件的完整性。

NASA正在研究各种3D打印工艺,并正在使用它们生产用于开发关键的航天应用组件。NASA还与商业伙伴合作,将相关设计和部件用于航天器和运载火箭系统。因此,NASA主张用于生产3D打印组件的材料和工艺的资格和认证对其安全使用至关重要。

为了支持3D打印工艺和材料的认证,NASA制定了一项名为NASA- std -6030“航天系统增材制造要求”的技术标准,该标准为3D打印硬件的开发和生产建立了政策框架。NASA-STD-6030的主要理念是认识到3D打印材料是高度工艺敏感的,因此良好的基础工艺控制逻辑为可靠的零件设计和生产提供了基础。

为了确保足够的质量,在开始“适合飞行”的生产水平之前,这些工艺开发和定义活动是必要的。

虽然在这次试验系列活动中,LLAMA腔室不符合NASASTD-6030的要求,但测试失败说明了NASA-STD-6030中建立的几个要求背后的基本原理。该失效腔室为稳健工艺开发和深入的材料性能评估提供了极好的案例研究。

构建重新启动对当前的设备和保障能力来说可能是不可避免的,NASA-STD-6030引入了一些与流程重启相关的要求,因为构建中断可能与相对于流程名义上的稳态操作的有害物质缺陷的更高风险相关。因此,如果组件允许重新构建,那么为每种合金开发合适的构建重新启动程序并记录是至关重要的。

重启程序应包括但不限于记录停止的原因,最大允许停止时间,搭建平台冷却限制,位置、以及最后一部分层的条件。适当的重新启动研究包括机械测试数据和微观结构特征,破坏性物品评估,视觉和体积检查,以及现场监测系统数据。这为团队提供了必要的信息,以确保重新启动过程的可迁移性到所需的组件几何结构。在构建开始之前,应该就标准和合格程序的列表达成一致。

如果在飞行硬件生产环境中发生了计划外的构建中断,这些中断事件需要被记录下来,并在构建生产中作为不符合项进行处理。关于LLAMA腔室,虽然这些部件是在非飞行硬件生产环境中制造的,但如果在重新启动之间对腔室的层纹进行了预先测试检查或进行了一些原位无损评估,则可以发现明显的缺乏熔合缺陷。

然而,对顶部和底部层纹的观察,仅显示出轻微的几何偏移,并且没有表面连接的孔隙度,零件可能“可用”。这说明了制造高价值/关键任务组件所需的仔细和严格的实践,特别是如果想排除未检测到的故障模式,防止潜在的灾难性后果。

LLAMA项目证明了一点,尽管团队最初对一个腔室进行了51次测试,以达到项目目标。在设计、分析、制造、组装和工艺规划方面的所有艰苦工作都在测试台上达到顶峰,最终仍然存在失败的可能。但成功与失败仍然要分开看,经验教训的总结是为了走向最终的成功。


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