王華明院士團隊：新一代火箭發動機燃燒室—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.
來源：中國激光, 2025, 52(4): 0402301.
掌握先進可靠的火箭發動機制造技術是我國建設成為航天強國的重要標志之一。發動機燃燒室內壁一側需接觸最高達5000℃的高溫燃氣，要求材料必須具備極佳的導熱能力，多采用銅合金；另一側為結構護套，要求材料在高溫下提供良好的機械性能，鎳基高溫合金是主要的選擇。
單一金屬材料難以滿足液氧/甲烷火箭發動機燃燒室對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制備技術（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、難制備形狀復雜的高精度零件，難以應用于新一代火箭發動機燃燒室。
增材制造通過把零件三維建模逐層切片，自下而上堆積疊加實現無模、快速、數字化制造，適合復雜零件結構的制造，為異種金屬的制備提供了新思路。面對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、高耐磨、高導熱(330W/(m.K) ]作為燃燒室內壁，在其表面通過激光定向能量沉積技術成形鎳基高溫合金[如GH4169合金，良好的高溫強度和疲勞壽命、耐腐蝕、抗蠕變性能]外壁，所制備的銅合金內壁+鎳基高溫合金外壁結構既能夠將燃燒室熱量快速導出又滿足強度及減重需求，實現“在正確的位置打印正確的材料”和“為獨特的功能打印獨特的結構”。
目前的主要難題在于銅合金激光反射率高、導熱率高及銅鎳兩合金物理性能差異過大，難以實現無缺陷冶金結合及穩定工藝制造。
創新工作
圍繞激光定向能量沉積工藝制備無缺陷銅-鎳異種金屬的問題，北京航空航天大學王華明院士團隊提出在表面預處理后的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控，開發了先表面預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、成分以及其對于力學性能的影響。
研究選取了熱噴涂、冷噴涂、電鍍、物理氣相沉積、表面鋪粉5種常見的表面預處理工藝對CuCrZr合金表面進行預處理，然后選取不同工藝參數，在預處理后的CuCrZr基板上進行GH4169合金單道熔覆沉積試驗，研究銅合金表面預處理和增材制造工藝參數對銅-鎳異種金屬結合區的影響，探究并選取一種穩定可行的表面預處理+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合區顯微組織及室溫拉伸性能，如圖 1所示。
研究發現，熱噴涂工藝制備的GH4169合金涂層能夠作為優選工藝實現銅合金與鎳基高溫合金之間的無缺陷結合且熔道穩定，冷噴涂工藝制備的GH4169合金涂層試驗結果不如熱噴涂，而采用物理氣相沉積(PVD)、電鍍、表面鋪粉工藝表面預處理后再進行單道沉積的界面存在局部未熔合、微裂紋差等缺陷。對于銅基板熱噴涂表面預處理工藝，當表面GH4169涂層厚度達到50~150 μm時，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；對熱噴涂試樣的單道熔覆試樣界面的主要參數進行對比分析（如圖 2所示）后，選擇最優工藝參數制備CuCrZr-GH4169異種金屬試樣。
后續工作
團隊后續將開展CuCrZr-GH4169異種金屬協同熱處理組織和力學性能調控研究，探究協同熱處理界面過渡區力學行為特征，致力于實現銅/鎳異種金屬復雜結構高性能高質量增材制造。
課題組介紹
北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室王華明院士團隊，始終瞄準先進材料制備科學與先進成形制造技術國際前沿發展方向，面向國家重大裝備對高性能金屬結構新材料及先進制備成形制造技術的戰略需求，“產教”融合、“產學研”緊密結合，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構新材料及其大型關鍵金屬構件增材制造新原理、新工藝、新裝備、新材料、新結構等方面的前沿基礎科學研究、原創核心關鍵技術研發、工程化應用基礎研究和高層次創新人才培養。
通信作者簡介
朱言言，男，副研究員，博士生導師，現任北京航空航天大學材料科學與工程學院增材制造中心教師。在大型金屬構件增材制造國家工程實驗室主要從事高強韌鈦合金、高熵合金、梯度材料等高性能金屬結構材料增材制造技術研究。獲評首屆國家博士后創新人才、北航卓越百人和青年拔尖計劃。主持和參研國家自然基金、國家重點研發計劃、北京市科技計劃、型號攻關等項目10余項。發表SCI論文30余篇、申請專利10余項。
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