南京航空航天大学 l 增材制造液体火箭发动机涡轮泵组件研究进展

| 3DScienceValley · 2025/09/10

谷专栏

增材制造技术作为一种通过逐层堆叠材料成型三维实体的先进制造工艺,为液体火箭发动机设计与制造的变革性发展提供了契机。涡轮泵组件作为液体火箭发动机的核心部件,采用增材制造不仅能降低制造成本、缩短研发周期,还能够实现液体动力的结构轻量化与集成化设计制造,形成液体动力的多材料一体化成型能力。

“3D Science Valley 白皮书图文解析

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近日，南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室研究团队在《火箭推进》期刊发表了《增材制造液体火箭发动机涡轮泵组件研究进展》一文。本期谷·专栏将对该文亮点进行分享。

文章亮点

1. 材料体系与制造工艺的系统梳理对比分析

文章系统总结了涡轮泵组件常用的五大材料体系（高温合金、钛合金、不锈钢、铝合金、复合材料），并对比了铸造、锻造、粉末冶金与增材制造等工艺的优缺点。指出增材制造在复杂结构成形、轻量化设计和多材料集成方面具有显著优势，尤其在减少零件数量、缩短研发周期方面表现突出。图为Merlin 1A发动机涡轮泵。

2. 诱导轮的增材制造实现薄壁复杂结构一体化成形

通过NASA的AMDE项目等案例，表明采用DMLS和LPBF工艺可成功制造具有大扭转角叶片和薄壁特征的诱导轮，零件数量减少45%，研发周期缩短80%，且通过热试车验证。支撑结构设计与后处理（如热等静压、喷丸）是保证成形精度与表面质量的关键。图为增材制造液氢涡轮泵及组装发动机热试车。

3. 泵叶轮的快速迭代与性能提升

文章指出，SpaceX、NASA及中国三江集团等通过增材制造实现了泵叶轮的一体化成形，将传统3个月的制造周期缩短至1周。增材制造解决了毫米级叶片间隙和复杂流道结构的加工难题，显著提升了抗气蚀性能与动态响应能力，适用于液氧/液氢等极端低温环境。图为增材制造液氧泵叶轮与燃料泵叶轮。

4. 涡轮盘的高温性能与结构创新

文章强调了NASA采用LPBF工艺制备的GRX-810高温合金涡轮盘，其抗拉强度、蠕变寿命和抗氧化性能均显著优于传统镍基合金。中国iSpace通过增材制造实现了双级叶片一体化成形，解决了刀具干涉和微通道加工精度问题，提升了叶盘的结构一致性与服役可靠性。图为LPBF工艺增材制造GRX-180合金转子与定子。

5. 后处理与AI赋能推动增材制造走向工程化应用

文章强调后处理技术（如热等静压、喷砂、激光冲击强化）对提升增材制造零件力学性能与表面质量的关键作用。同时指出，未来结合人工智能（AI）进行工艺优化、拓扑设计和寿命预测，将进一步提升增材制造在液体火箭发动机中的工程化应用水平。图为喷涂增材工艺制备燃烧室进口集合器流程。

主要作者简介

论文作者：易敏,沈志海,胡文轩

作者单位：南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室

易敏南京航空航天大学航空学院、航空航天结构力学及控制全国重点实验室教授、博士生导师，入选国家级青年人才（2019）、江苏省杰青（2024）、Elsevier中国高被引学者（连续5年），获得胡海岩科技创新奖获（2023）、航空航天优秀青年创新奖（2025），主要从事航空航天材料与结构力学研究，聚焦微结构演化理论与力学行为、寿命评估理论与延寿方法、先进制造与表面强化、可重复使用航天装备等，在JMPS、IJP、Acta Mater、CMAME、IJFatigue、Nat Commun、AFM、Small、Addit Manuf等期刊上发表论文100余篇。

引用格式：

易敏,沈志海,胡文轩.增材制造液体火箭发动机涡轮泵组件研究进展[J].火箭推进,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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