增材制造技術作為一種通過逐層堆疊材料成型三維實體的先進制造工藝,為液體火箭發(fā)動機設計與制造的變革性發(fā)展提供了契機。渦輪泵組件作為液體火箭發(fā)動機的核心部件,采用增材制造不僅能降低制造成本、縮短研發(fā)周期,還能夠實現(xiàn)液體動力的結構輕量化與集成化設計制造,形成液體動力的多材料一體化成型能力。

“3D Science Valley 白皮書 圖文解析

近日，南京航空航天大學 航空航天結構力學及控制全國重點實驗室研究團隊在《火箭推進》期刊發(fā)表了《增材制造液體火箭發(fā)動機渦輪泵組件研究進展》一文。本期谷·專欄將對該文亮點進行分享。

文章亮點

1. 材料體系與制造工藝的系統(tǒng)梳理對比分析

文章系統(tǒng)總結了渦輪泵組件常用的五大材料體系（高溫合金、鈦合金、不銹鋼、鋁合金、復合材料），并對比了鑄造、鍛造、粉末冶金與增材制造等工藝的優(yōu)缺點。指出增材制造在復雜結構成形、輕量化設計和多材料集成方面具有顯著優(yōu)勢，尤其在減少零件數量、縮短研發(fā)周期方面表現(xiàn)突出。圖為Merlin 1A發(fā)動機渦輪泵。

2. 誘導輪的增材制造實現(xiàn)薄壁復雜結構一體化成形

通過NASA的AMDE項目等案例，表明采用DMLS和LPBF工藝可成功制造具有大扭轉角葉片和薄壁特征的誘導輪，零件數量減少45%，研發(fā)周期縮短80%，且通過熱試車驗證。支撐結構設計與后處理（如熱等靜壓、噴丸）是保證成形精度與表面質量的關鍵。圖為增材制造液氫渦輪泵及組裝發(fā)動機熱試車。

3. 泵葉輪的快速迭代與性能提升

文章指出，SpaceX、NASA及中國三江集團等通過增材制造實現(xiàn)了泵葉輪的一體化成形，將傳統(tǒng)3個月的制造周期縮短至1周。增材制造解決了毫米級葉片間隙和復雜流道結構的加工難題，顯著提升了抗氣蝕性能與動態(tài)響應能力，適用于液氧/液氫等極端低溫環(huán)境。圖為增材制造液氧泵葉輪與燃料泵葉輪。

4. 渦輪盤的高溫性能與結構創(chuàng)新

文章強調了NASA采用LPBF工藝制備的GRX-810高溫合金渦輪盤，其抗拉強度、蠕變壽命和抗氧化性能均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鎳基合金。中國iSpace通過增材制造實現(xiàn)了雙級葉片一體化成形，解決了刀具干涉和微通道加工精度問題，提升了葉盤的結構一致性與服役可靠性。圖為LPBF工藝增材制造GRX-180合金轉子與定子。

5. 后處理與AI賦能推動增材制造走向工程化應用

文章強調后處理技術（如熱等靜壓、噴砂、激光沖擊強化）對提升增材制造零件力學性能與表面質量的關鍵作用。同時指出，未來結合人工智能（AI）進行工藝優(yōu)化、拓撲設計和壽命預測，將進一步提升增材制造在液體火箭發(fā)動機中的工程化應用水平。圖為噴涂增材工藝制備燃燒室進口集合器流程。

主要作者簡介

論文作者：易敏,沈志海,胡文軒

作者單位：南京航空航天大學 航空航天結構力學及控制全國重點實驗室

易敏 南京航空航天大學航空學院、航空航天結構力學及控制全國重點實驗室教授、博士生導師，入選國家級青年人才（2019）、江蘇省杰青（2024）、Elsevier中國高被引學者（連續(xù)5年），獲得胡海巖科技創(chuàng)新獎獲（2023）、航空航天優(yōu)秀青年創(chuàng)新獎（2025），主要從事航空航天材料與結構力學研究，聚焦微結構演化理論與力學行為、壽命評估理論與延壽方法、先進制造與表面強化、可重復使用航天裝備等，在JMPS、IJP、Acta Mater、CMAME、IJFatigue、Nat Commun、AFM、Small、Addit Manuf等期刊上發(fā)表論文100余篇。

引用格式：

易敏,沈志海,胡文軒.增材制造液體火箭發(fā)動機渦輪泵組件研究進展[J].火箭推進,2025,51(03):198-211.DOI:10.3969/j.issn.1672-9374.2025.03.010

YI Min,SHEN Zhihai,HU Wenxuan.Research progress on additive manufacturing of turbopump components for liquid rocket engines[J].Journal of Rocket Propulsion,2025,51(03):198-211.DOI:10.3969/j.issn.1672-9374.2025.03.010

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