王華明院士團(tuán)隊(duì)：新一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室——銅/鎳異種金屬增材制造

作者：姚訊杰, 朱言言, 韓曦, 楊俊偉, 陳龍, 王馨儀, 王華明.
來(lái)源：中國(guó)激光, 2025, 52(4): 0402301.

掌握先進(jìn)可靠的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)是我國(guó)建設(shè)成為航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志之一。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壁一側(cè)需接觸最高達(dá)5000℃的高溫燃?xì)�，要求材料必須具備極佳的導(dǎo)熱能力，多采用銅合金；另一側(cè)為結(jié)構(gòu)護(hù)套，要求材料在高溫下提供良好的機(jī)械性能，鎳基高溫合金是主要的選擇。

單一金屬材料難以滿足液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室對(duì)服役溫度與壓力的需求，而目前銅合金-鎳基高溫合金異種金屬材料傳統(tǒng)制備技術(shù)（如旋壓+電鍍、氣相沉積、粉末冶金法等）雖較為成熟，但其周期長(zhǎng)、難制備形狀復(fù)雜的高精度零件，難以應(yīng)用于新一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

增材制造通過(guò)把零件三維建模逐層切片，自下而上堆積疊加實(shí)現(xiàn)無(wú)模、快速、數(shù)字化制造，適合復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)的制造，為異種金屬的制備提供了新思路。面對(duì)燃燒室高溫高壓工況及減重需求的難題，采用具有密排溝槽再生冷卻流道的銅合金[如CuCrZr合金，高強(qiáng)、高耐磨、高導(dǎo)熱(330W/(m.K) ]作為燃燒室內(nèi)壁，在其表面通過(guò)激光定向能量沉積技術(shù)成形鎳基高溫合金[如GH4169合金，良好的高溫強(qiáng)度和疲勞壽命、耐腐蝕、抗蠕變性能]外壁，所制備的銅合金內(nèi)壁+鎳基高溫合金外壁結(jié)構(gòu)既能夠?qū)⑷紵�室熱量快速�?dǎo)出又滿足強(qiáng)度及減重需求，實(shí)現(xiàn)“在正確的位置打印正確的材料”和“為獨(dú)特的功能打印獨(dú)特的結(jié)構(gòu)”。

目前的主要難題在于銅合金激光反射率高、導(dǎo)熱率高及銅鎳兩合金物理性能差異過(guò)大，難以實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷冶金結(jié)合及穩(wěn)定工藝制造。

創(chuàng)新工作
圍繞激光定向能量沉積工藝制備無(wú)缺陷銅-鎳異種金屬的問(wèn)題，北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)提出在表面預(yù)處理后的CuCrZr銅合金基體上激光定向能量沉積GH4169的工藝及界面組織性能調(diào)控，開(kāi)發(fā)了先表面預(yù)處理再增材制造的工藝新方法，解決了銅合金高反射率以及界面冶金缺陷問(wèn)題，闡明了CuCrZr-GH4169異種金屬增材制造界面晶粒形貌、組織、成分以及其對(duì)于力學(xué)性能的影響。

研究選取了熱噴涂、冷噴涂、電鍍、物理氣相沉積、表面鋪粉5種常見(jiàn)的表面預(yù)處理工藝對(duì)CuCrZr合金表面進(jìn)行預(yù)處理，然后選取不同工藝參數(shù)，在預(yù)處理后的CuCrZr基板上進(jìn)行GH4169合金單道熔覆沉積試驗(yàn)，研究銅合金表面預(yù)處理和增材制造工藝參數(shù)對(duì)銅-鎳異種金屬結(jié)合區(qū)的影響，探究并選取一種穩(wěn)定可行的表面預(yù)處理+增材制造銅-鎳異種金屬工藝，制備的CuCrZr-GH4169異種金屬塊狀試樣并研究其結(jié)合區(qū)顯微組織及室溫拉伸性能，如圖 1所示。

圖1（a）CuCrZr基板激光定向能量沉積GH4169示意圖；（b）表面預(yù)處理示意圖；(c) CuCrZr-GH4169異種金屬試樣；（d）拉伸及組織取樣示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，熱噴涂工藝制備的GH4169合金涂層能夠作為優(yōu)選工藝實(shí)現(xiàn)銅合金與鎳基高溫合金之間的無(wú)缺陷結(jié)合且熔道穩(wěn)定，冷噴涂工藝制備的GH4169合金涂層試驗(yàn)結(jié)果不如熱噴涂，而采用物理氣相沉積(PVD)、電鍍、表面鋪粉工藝表面預(yù)處理后再進(jìn)行單道沉積的界面存在局部未熔合、微裂紋差等缺陷。對(duì)于銅基板熱噴涂表面預(yù)處理工藝，當(dāng)表面GH4169涂層厚度達(dá)到50~150 μm時(shí)，在幾種工藝條件下，均能有效避免界面缺陷以及成形困難等難題；對(duì)熱噴涂試樣的單道熔覆試樣界面的主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析（如圖 2所示）后，選擇最優(yōu)工藝參數(shù)制備CuCrZr-GH4169異種金屬試樣。

圖2 單道熔覆試樣的截面參數(shù)。（a）單道熔覆截面主要參數(shù)示意圖；（b）熱噴涂預(yù)處理試驗(yàn)單道熔覆截面主要參數(shù)對(duì)比雷達(dá)圖

后續(xù)工作
團(tuán)隊(duì)后續(xù)將開(kāi)展CuCrZr-GH4169異種金屬協(xié)同熱處理組織和力學(xué)性能調(diào)控研究，探究協(xié)同熱處理界面過(guò)渡區(qū)力學(xué)行為特征，致力于實(shí)現(xiàn)銅/鎳異種金屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)高性能高質(zhì)量增材制造。

課題組介紹

北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室王華明院士團(tuán)隊(duì)，始終瞄準(zhǔn)先進(jìn)材料制備科學(xué)與先進(jìn)成形制造技術(shù)國(guó)際前沿發(fā)展方向，面向國(guó)家重大裝備對(duì)高性能金屬結(jié)構(gòu)新材料及先進(jìn)制備成形制造技術(shù)的戰(zhàn)略需求，“產(chǎn)教”融合、“產(chǎn)學(xué)研”緊密結(jié)合，致力于重大裝備鈦合金、合金鋼、高溫合金、難熔及高熵合金等高性能金屬結(jié)構(gòu)新材料及其大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造新原理、新工藝、新裝備、新材料、新結(jié)構(gòu)等方面的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究、原創(chuàng)核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、工程化應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

通信作者簡(jiǎn)介

朱言言，男，副研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院增材制造中心教師。在大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主要從事高強(qiáng)韌鈦合金、高熵合金、梯度材料等高性能金屬結(jié)構(gòu)材料增材制造技術(shù)研究。獲評(píng)首屆國(guó)家博士后創(chuàng)新人才、北航卓越百人和青年拔尖計(jì)劃。主持和參研國(guó)家自然基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市科技計(jì)劃、型號(hào)攻關(guān)等項(xiàng)目10余項(xiàng)。發(fā)表SCI論文30余篇、申請(qǐng)專利10余項(xiàng)。