挑战极端——镍合金在太空的应用

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2020年是太空探索和创新新十年的开端,其中含镍合金在火箭、车轮和催化剂制造等很多应用中发挥着重要作用(www.chendai.net)。

致力于航空航天设备制造和可重复太空运输的美国太空探索技术公司(SpaceX),采用一种含镍304(S30400)不锈钢制造了星际飞船和超重型火箭。SpaceX选择不锈钢来执行这项任务,与碳纤维相比,不锈钢的成本较低,每公斤碳纤维的成本比不锈钢高六十倍以上。与碳纤维或其他金属(例如铝)相比,不锈钢的耐热性也高得多,因此,需要的隔热材料少得多,甚至有可能不需要隔热材料。

与此同时,美国宇航局正在探索含镍材料在探测车轮子中的潜在应用。橡胶轮在月球或火星上不切实际,因此最初阿波罗号登月车的车轮是采用弹簧钢制成的。但设计在火星上使用的大型和重型车轮上的弹簧钢车轮会变形,见图1。为了解决这个问题,美国宇航局正在开发一种用镍钛合金Nitinol(UNS N01555)制成的金属网轮胎,它具有形状记忆特性,可以应对30倍的弹簧钢车轮变形。

美国宇航局的工程师将最新型的SMA弹簧轮胎安装在试验台上。这个型式重量为7kg,可以承载先前型式两倍的载荷,而且在深空温度下表现更好,如图2所示。

SpaceX星际飞船配备了猛禽火箭发动机,目标是最终载人去火星,是采用液态甲烷和液态氧驱动的首批星际飞船之一,设计寿命为使用1000次。选择甲烷是为了在火星上制造火箭燃料供返程使用。可以采用二氧化碳和氢通过沙巴提耶反应制造甲烷,其中氢在高温(最佳温度为300-400℃)高压下通过催化剂与二氧化碳反应,从而生成甲烷和水。其中镍是一种可以采用的催化剂。

火星大气中的二氧化碳含量为95%,而美国宇航局已经证实火星上有水存在,这些都是生成甲烷和氧等火箭助推剂以及供宇航员呼吸的氧气所需的原料。这颗红色星球的较低环境温度以及生成液化甲烷、氢和氧所需的低温也需要含镍材料。

镍铜合金K-500(N05500)在低温下也具有优良的延展性,而且在纯氧中具有耐燃性。这使之成为为火箭发动机供氧的氧增压泵的优先选择。

整体式火箭发动机

凭借高强度和高韧性,718合金(N07718)可以在飞机涡轮喷气发动机中使用,它是可沉淀硬化的镍铬合金。它也可以用于火箭发动机和压力容器,能在最低-250℃的温度下处理低温液化气体并实现助推。但718合金的性质决定了它比其他材料更难机械加工和成形。熔模铸造工艺可能存在问题,因为718合金容易受孔隙度、离析和极粗粒径影响,因此,需要后续加工步骤。

解决方案是什么?三维打印可以在设计复杂的高性能应用中更高效地利用镍基合金,例如718合金。三维打印可以更加简便地加工718合金,而且可以很好地保持材料特性。该工艺避免了焊接和机械加工,因此,极大地减少了材料浪费。这种制造方法的好处通过三维打印718合金火箭发动机的样机得到了证明。该样机完全是通过人工智能设计,并由德国一家软件公司开发。

与常规火箭发动机不同,常规火箭发动机由单独设计并装配的部件组成,三维打印样机是一个连续的整体。它包含燃料和氧化剂燃烧的燃烧室,以及让燃料循环流动以冷却燃烧室并避免过热的表面通道。整体式制作方法保证了最轻的重量和最有效的冷却,使火箭达到可能的最佳性能。

在美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的Vulcan II火箭项目中,也采用三维打印来制作Ignus II 718合金火箭发动机。

针对未来每一种新应用,镍都会助力太空探索更进一步。

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本文摘选自本报2021年第19期B12部分内容,若要详细了解更多相关行业和技术信息,请关注本报纸质报纸每期A版和B版内容,或者登陆本报手机APP客户端,或者本报网站新址:http://www.worldmetals.com.cn/电子报阅读全文。转载请注明出处。

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