NASA成功測試3D打印的鋁合金火箭發(fā)動機
很明顯，這兩個應用場景的溫度環(huán)境均會超過鋁合金的熔點，而其為何能夠保持材料性能呢？首先是使用了納米陶瓷涂層，其次是借助了再生冷卻結(jié)構(gòu)。這兩種方式是保護低熔點金屬實現(xiàn)高溫應用的重要手段。目前在航空航天、輪船、能源等領域有重要應用。
納米陶瓷材料具有較低的熱導率，能夠有效地阻止熱量的傳遞。其次，納米陶瓷涂層具有反射熱輻射的能力，熱輻射是物體通過電磁波傳遞熱能的一種方式，而納米陶瓷涂層可以反射掉一部分熱輻射，使其無法穿透到另一側(cè)；第三，納米陶瓷涂層能夠吸收和儲存熱量，當溫度升高時，納米顆粒會吸收熱量并變得更加活躍，從而起到緩沖溫度變化的作用。
以2022年冬奧火炬為例，內(nèi)外飄帶使用鋁合金3D打印制造，經(jīng)過坯件打磨、拋光之后，進行表面糙化、除塵、預熱、涂敷、烘烤等一系列流水線工序。最后在其表面均勻的薄涂納米級陶瓷涂層，最終使火炬能夠耐受800-1000度高溫5-10分鐘。
除此之外，熱障涂層還被廣泛應用在飛機發(fā)動機、渦輪機和汽輪機葉片上，保護高溫合金基體免受高溫氧化、腐蝕，起到隔熱、提高發(fā)動機進口溫度和發(fā)動機推重比的作用。采用3D打印技術(shù)制造還有內(nèi)部流道的葉片結(jié)構(gòu)，也提供了極大便利。
再生冷卻是另一種保護低熔點金屬實現(xiàn)高溫應用的手段。以火箭發(fā)動機為例，燃燒室喉部燃燒溫度高達3500℃，內(nèi)壁溫度超過1000℃，任何金屬材料在此溫度下都已接近熔化，而且材料還要經(jīng)受腐蝕性高壓高速燃氣的侵蝕。很顯然，鋁在該溫度如果不進行結(jié)構(gòu)保護很快會失效。
在火箭發(fā)動機制造領域，再生冷卻結(jié)構(gòu)是重要的冷卻技術(shù)?；鸺l(fā)動機推力室結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外兩層壁構(gòu)成冷卻夾套，約有360個冷卻槽。發(fā)動機工作時，內(nèi)襯一側(cè)為高溫燃氣，另一側(cè)為裝載液氫液氧的冷卻管道，通過液氫液氧降低火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)壁溫度保持在熔點以下，以保證材料能正常服役。推進劑組元流經(jīng)冷卻套冷卻壁面，自身受熱升溫后流出冷卻套，再經(jīng)噴注器進入燃燒室，使通過內(nèi)壁傳出的熱量又回到燃燒室得以“再生”，故稱再生冷卻。
然而，傳統(tǒng)的推力室再生冷卻結(jié)構(gòu)制造動輒數(shù)月甚至更長時間，并且容易導致不同部件的質(zhì)量水平不同。高昂的制造成本以及漫長的等待時間讓航天發(fā)射對增材制造的關注越發(fā)迫切。3D打印制造火箭發(fā)動機的優(yōu)勢已經(jīng)不必多說，如今，民營航天公司極為重視增材制造技術(shù)的使用，采用3D打印制造的再生冷卻一體結(jié)構(gòu)發(fā)動機已經(jīng)投入使用。
NASA馬歇爾太空飛行中心與Elementum 3D公司合作，在2023年開發(fā)了一種可焊接鋁，其耐熱性足以用于火箭發(fā)動機，且成功進行了測試。與其他金屬相比，鋁的密度較低，可用于制造高強度、輕質(zhì)的部件。
實際上再生冷卻結(jié)構(gòu)很像模具中的隨形冷卻流道，同樣起到快速將熱量帶走的作用。
總的來說，本文介紹了兩種保障低熔點金屬實現(xiàn)高溫應用的手段，這些技術(shù)在遇到3D打印之后正在迸發(fā)新的生機。
