3D打印技術在固體發動機噴管中的應用

摘要：固體火箭發動機噴管是航天推進系統中的關鍵部件，其制造工藝和性能直接影響發動機的整體性能。隨著3D打印技術的快速發展，其在航空航天領域的應用不斷擴大。通過3D打印技術制造固體發動機噴管具有設計靈活、制造周期短以及成本低等優勢。研究表明，3D打印技術可實現噴管復雜冷卻通道的一體化制造，提高散熱效率；能夠優化噴管壁面結構，減輕重量；還可以實現功能梯度材料的精確控制，提升噴管的綜合性能。基于選區激光熔化與電子束選區熔化等3D打印工藝，結合后處理技術，已成功制造出性能優異的固體發動機噴管樣件，為航天領域提供了創新解決方案。

關鍵詞：3D打印；固體發動機；噴管；選區激光熔化；功能梯度材料

中圖分類號：V19文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0111-03

0引言

航天工業的蓬勃發展離不開推進技術的創新突破。固體火箭發動機作為航天器推進系統的重要組成部分，其性能提升一直是研究熱點。噴管是固體發動機中的關鍵部件，需要承受高溫、高壓和高速燃氣沖刷等嚴苛工作環境。傳統制造工藝在噴管制造過程中面臨多重挑戰：結構復雜、制造周期長、生產成本高。其獨特的逐層制造原理突破了傳統工藝的局限性3D打印技術的出現為噴管制造帶來新的機遇，實。

現了復雜結構的一體化制造。近年來，3D打印技術在材料、工藝和設備等方面取得重要進展，為固體發動機噴管的創新設計和高效制造提供了有力支撐。深入研究3D打印技術在固體發動機噴管中的應用具有重要的理論價值和工程意義。

13D打印技術基礎

1.1金屬3D打印工藝原理

金屬3D打印技術基于逐層制造原理，采用高能束流選擇性熔化金屬粉末成形零件。在選區激光熔化技術中，高功率激光束掃描預定區域，使金屬粉末快速熔化凝固形成冶金結合。打印過程由鋪粉系統控制粉末層厚度和均勻性，掃描振鏡系統控制激光光斑移動軌跡。工作平臺逐層下降，新粉末均勻鋪展于已成形層，經激光重復掃描熔化，層層疊加形成三維實體。

電子束選區熔化技術采用高能電子束為能量源，在真空環境中打印，具有高效率和良好工藝適應性。直接能量沉積技術通過同步送粉和激光熔化，適用于大尺寸金屬構件的快速成型，在修復再制造領域優勢顯著[1]。該技術實現了材料高效利用和構件快速成型，成形尺寸精度可達±0.1mm，表面粗糙度Ra優于1.6μm。

1.2材料特性與工藝參數

材料特性與工藝參數在金屬3D打印過程中呈現密切關聯性，共同決定打印件的質量和性能。金屬粉末的粒度分布與形貌特征影響流動性和堆積密度，直接關系到鋪粉質量和熔池行為。球形度高且分布均勻的粉末有利于提高鋪粉致密度和打印穩定性。激光功率與掃描速度以及掃描間距和鋪粉層厚構成關鍵工藝參數組場。較高的能量密度導致熔池溫度升高，通過精確調控形成特定的能量密度，增加熔深和熔寬，但過高會引起飛濺和過燒。掃描策略的選擇需權衡打印效率和應力分布，分區掃描策略通過區域劃分降低熱應力積累。預熱溫度的調控有助于減少溫度梯度，抑制裂紋形成。工藝參數的優化需考慮材料特性，針對不同材料體系建立專門的工藝參數數據庫，為高質量構件制造提供保障。工藝參數數據庫包含金屬材料的熔點、熱導率以及比熱容等基礎物理參數，同時結合多組工藝實驗數據，建立工藝參數與質量控制的映射關系。

23D打印技術在噴管結構設計中的應用

2.1復雜冷卻通道的一體化設計

固體發動機噴管在工作過程中承受高溫高壓環境，有效的冷卻系統對保證噴管性能至關重要。3D打印技術突破了傳統加工工藝的限制，實現了復雜冷卻通道的一體化設計與制造。螺旋形冷卻通道設計在保證結構強度的基礎上，提升了冷卻介質的流動效率，增強了傳熱效果。冷卻通道的截面形狀采用變截面設計，入口段采用圓形截面減小流動阻力，熱交換段采用異形截面增大傳熱面積，出口段采用漸擴式結構降低流速[2]。通道壁面設計微細翅片結構，提高傳熱系數。冷卻通道的布局依據溫度場分布進行優化，在溫度較高區域增加通道密度，實現溫度場的均勻分布。通過流體力學計算和傳熱分析，建立冷卻效率與通道結構參數的關系模型。冷卻通道的傳熱效率η與冷卻劑流速v和通道直徑D具有如下關系：

η=k×v×D（1）

式中：k為傳熱系數。基于該模型，結合有限元分析確定通道結構尺寸及分布參數，實現冷卻系統的最優化設計（圖1）。

2.2輕量化結構的優化設計

噴管結構的輕量化設計在保證承載能力和使用壽命的前提下，通過拓撲優化方法實現材料的合理分布。噴管結構承受熱載荷和氣動載荷的耦合作用，載荷分布呈現明顯的不均勻性。基于多目標優化理論，建立包含應力水平、變形量以及質量在內的優化模型。采用漸進式網格劃分方法，在應力集中區域細化網格提高計算精度。通過敏感性分析確定結構參數對性能的影響程度，建立優化迭代策略。結構形式上采用變壁厚設計，在氣動力作用區域適當增加壁厚，非承力區域實現減薄。內部支撐結構采用蜂窩狀和網格狀結構，在不同位置根據應力水平調整支撐密度。邊緣處設計加強筋提高局部剛度，過渡區域采用圓角過渡降低應力集中。結合傳統鑄造限制進行設計優化，確保結構具有自支撐特性，減少支撐結構的使用，降低后處理工作量[3]。

2.3功能梯度材料的設計應用

功能梯度材料設計在3D打印技術支持下，實現了材料性能的連續過渡。噴管內壁采用耐高溫耐腐蝕材料，通過調控材料成分實現性能梯度分布。沿徑向方向，逐層改變金屬粉末的配比，在保證結合強度的同時，實現材料性能的定向調控。耐高溫層選用高溫合金材料，中間過渡層通過改變合金元素的含量，降低熱應力集中。外壁層選用高強度材料，提供足夠的承載能力。材料的熱膨脹系數以及彈性模量等力學性能呈連續漸變分布，避免了傳統復合材料界面應力集中問題。根據服役環境，確定各層材料的成分配比和厚度尺寸，建立材料性能的分布函數。結合微觀組織分析和力學性能測試，驗證材料性能的梯度變化規律，優化工藝參數。

33D打印技術在噴管制造過程中的應用

3.1選區激光熔化工藝的應用

選區激光熔化工藝在固體發動機噴管制造中發揮核心作用。工藝實施過程中，高功率激光束作為能量源，在預設掃描路徑上選擇性熔化金屬粉末。制造平臺預熱溫度設定在200～300℃范圍內，有效減少熱應力的產生[4]。粉末層鋪設采用柔性陶瓷刮刀，確保鋪粉均勻性達到95%以上。激光功率選擇2000～3000W范圍，掃描速度控制在5～8m/s，在保證熔化充分的同時避免能量密度過大引起的飛濺。掃描路徑規劃采用棋盤式分區掃描策略，降低大尺寸薄壁結構的變形趨勢。氬氣保護氣氛中氧含量控制在100ppm以下，防止材料氧化。成形過程中實時監測熔池溫度和尺寸，建立閉環反饋控制機制。對噴管不同位置區域采用差異化的工藝參數，收斂段選用較高的能量密度提升致密度，膨脹段適當降低能量密度提高生產效率。通過在線測量和數據分析，實現工藝參數的實時優化調整，保證制造過程的穩定性（圖3）。

3.2制造工藝參數優化與控制

制造工藝參數優化建立在深入理解材料—工藝—性能關系的基礎上。采用正交試驗方法，系統研究激光功率與掃描速度以及掃描間距與層厚等關鍵參數對成形質量的影響規律。通過金相組織分析與力學性能測試以及密度測定等手段，建立工藝參數與性能指標的映射關系。激光功率與掃描速度的比值確定能量密度水平，進而影響材料熔化程度和組織致密度。掃描間距與光斑直徑的比值決定熔道搭接程度，影響表面質量和力學性能[5]。借助高速攝像等手段觀察熔池行為，獲取熔池形貌與溫度場分布等特征信息，指導工藝參數優化。結合數值模擬方法，預測不同工藝參數下的溫度場和應力場分布，為參數優化提供理論依據。建立專家系統數據庫，針對不同材料與不同結構特征制定差異化工藝參數方案。在此基礎上開發智能化工藝參數調控系統，實現制造過程的自適應控制。

3.3后處理工藝的應用改進

后處理工藝針對3D打印件的殘余應力與表面質量以及尺寸精度等問題進行系統改進。熱處理工藝采用分步加熱方案，逐級升溫釋放殘余應力，避免工件變形。固溶處理溫度選擇在材料再結晶溫度以上，時效處理溫度根據所需強化相的析出規律確定。表面后處理采用機械拋光與化學拋光相結合的方式，機械拋光去除表面大顆粒熔渣，化學拋光提升表面光潔度。對精密配合面采用精密加工工藝，通過數控銑削實現尺寸精度控制。粗糙度檢測結果顯示，表面粗糙度由打印態的Ra6.3μm提升至Ra1.6μm。針對成形支撐結構的去除，開發專用工裝夾具，提高支撐去除效率和質量。內腔結構采用增材-減材復合加工方式，結合電解加工技術改善內表面質量。對關鍵性能指標進行無損檢測，包括X射線探傷以及超聲檢測等，確保構件質量滿足使用要求[6]。

4應用效果與發展趨勢

4.1典型應用案例分析

3D打印技術在大型固體火箭發動機噴管制造中的應用成果顯著。某型號固體發動機噴管采用選區激光熔化工藝制造，噴管收斂段采用高溫合金材料，設計內部螺旋形冷卻通道，通道直徑2～5mm，壁厚0.8～1.2mm。制造過程中采用變功率分區掃描策略，收斂段功率密度提升20%，顯著改善了薄壁結構的致密度。后處理采用分段熱處理工藝，殘余應力降低65%，變形量控制在0.2mm以內。地面試車驗證表明，噴管在400s工作時間內性能穩定，推力波動小于2%，比傳統工藝節省制造周期30%。某型小型固體發動機噴管采用梯度材料設計方案，內壁采用鎳基高溫合金，外壁采用鈦合金，過渡層厚度2mm。制造過程通過在線調控送粉比例，實現了材料成分的連續過渡，界面結合強度達到母材強度的85%。該噴管重量比傳統設計方案降低25%，成本降低40%，在多次地面試驗中展現出優異的服役性能。

4.2應用成效與挑戰

3D打印技術在固體發動機噴管制造領域的應用帶來顯著成效。在結構設計方面，實現了復雜冷卻通道的一體化制造，傳熱效率提升35%，溫度場分布更加均勻。功能梯度材料的應用使噴管重量降低20%～30%，結構可靠性提高。在制造工藝方面，制造周期從傳統的3～4個月縮短至1個月，產品合格率達到90%以上，制造成本降低30%～50%。然而，技術應用過程中仍面臨諸多挑戰。大尺寸薄壁構件的變形控制難度大，局部區域易產生裂紋和孔隙缺陷。材料性能一致性有待提高，批次間性能波動達到15%。工藝參數優化周期長，制造成本仍高于傳統工藝。質量控制和檢測標準尚未完善，缺乏完整的評價體系。設備穩定性和可靠性需要提升，關鍵零部件壽命較短，維護成本高（表1）。

4.3技術應用前景展望

3D打印技術在固體發動機噴管制造領域展現出廣闊的應用前景。智能化制造將成為重要發展方向，通過引入機器學習算法優化工藝參數，建立工藝—組織—性能預測模型，實現制造過程的智能控制。多材料異質結構設計方案不斷創新，通過材料性能的精確調控，滿足噴管不同部位的性能需求。新型高溫合金材料體系的開發，將進一步提升噴管的使用溫度和壽命。大尺寸構件制造設備向著高精度與高效率方向發展，設備穩定性顯著提升。在線監測與質量控制技術日趨完善，缺陷預測與控制能力增強。后處理工藝創新不斷，殘余應力控制和表面質量改善取得突破。

標準化體系逐步建立，推動技術從實驗室應用走向工程化應用。未來5～10年內，3D打印技術將在固體發動機噴管制造領域占據重要地位。

5結束語

3D打印技術在固體發動機噴管制造領域展現出巨大潛力。系統研究表明，該技術能夠有效解決傳統制造工藝的技術瓶頸，實現噴管結構優化設計和高效制造。在材料選擇方面，3D打印技術支持多種高性能金屬材料的應用，并可實現功能梯度結構的精確控制。在工藝優化方面，通過參數調控和后處理工藝的改進，顯著提升了噴管的綜合性能。實驗驗證結果表明，3D打印噴管在力學性能與熱性能和服役性能等方面均達到或超過傳統工藝水平。

未來，3D打印技術將在固體發動機噴管制造領域帶來四個重要影響：工藝智能化水平將顯著提升，實現制造過程的全程監控和自適應調節；新型耐高溫金屬材料的3D打印工藝將取得突破，進一步提升噴管的使用溫度和壽命；規模化生產技術將逐步成熟，制造成本將降低30%以上；標準化體系將逐步完善，推動技術在航天工業領域的規模化應用。這些發展將為航天工業的創新發展提供強有力的技術支撐。

參考文獻：

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【通聯編輯：謝媛媛】