镍合金的太空应用

2021年04月30日 14:9 4117次浏览 来源:   分类: 镍资讯

导读: 2020 年是太空探索和创新的新10年开端,其中含镍合金在火箭、车轮和催化剂制造等很多应用领域中发挥着重要作用。

2020 年是太空探索和创新的新10年开端,其中含镍合金在火箭、车轮和催化剂制造等很多应用领域中发挥着重要作用。

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。与碳纤维相比,成本较低,碳纤维每公斤成本高出60倍以上。与碳纤维或其他金属相比,它的耐热性也高得多,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,美国宇航局正在探测车轮子中探索含镍材料的另一种潜在应用。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采用弹簧钢制成,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。为了解决这个问题,美国宇航局正在开发一种用镍钛合金制成的金属网轮胎,它具有形状记忆特性,可以应对30倍的弹簧钢车轮变形。

SpaceX星际飞船配备了猛禽火箭发动机,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。其中一种可以采用的催化剂是镍。

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火箭助推剂以及供宇航员呼吸的氧气所需原料。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。

凭借高强度和高韧性,718合金(N07718)是一种在飞机涡轮喷气发动机中使用的可沉淀硬化镍铬合金,也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型。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。该样机完全通过人工智能设计,并由德国Hyperganic 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,使特定火箭达到最佳性能。加利福尼亚大学圣迭戈分校的Vulcan II火箭项目,也采用三维打印制作IgnusII 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。(本文由国际镍协会提供资料整理而成)

责任编辑:付宇

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