苏格兰国家制造研究所（NMIS）的工程师近日利用高压冷喷涂（HPCS）技术开发出了一种铜质火箭喷嘴，旨在解决火箭发动机生产中一个长期存在的难题：制造包含复杂内部冷却通道的大型铜结构。

火箭燃烧室和喷嘴的工作温度超过其自身结构材料的熔点，这对几何结构和材料性能都提出了严苛要求。铜虽然非常适合热管理，但由于其反射特性和机械特性，使用传统增材制造进行加工一直很困难。标准制造流程耗时且跨越多个阶段，无论是通过减材加工、粉末床熔融（PBF）还是电镀，都会导致生产周期可能延长至数月之久。粉末床熔融作为成熟的增材制造方法，提供了更大的设计自由度，但受限于构建体积，限制了其在大尺寸部件上的应用。电镀也广泛用于铜喷嘴生产，但在所需规模下的交付周期可能长达数月。铜还增加了额外的难度：其热性能和机械性能，加上高度反光的表面，使其难以适用于大多数传统增材制造工艺。

为应对这些限制，NMIS工程师开发了一种以HPCS为核心的混合方法——这是一种在固态下沉积铜的工艺，无需熔化，从而降低了与传统焊接和基于熔化的方法相关的热变形和材料劣化风险。喷嘴结构通过逐层材料沉积构建，使得内部冷却通道可以直接集成到几何形状中——这是喷嘴性能的关键特征，但通过其他生产途径难以实现。

凭借高达每小时10公斤的沉积速率，该工艺可将生产交付周期从数月缩短至数天，同时相比传统机加工减少材料浪费。NMIS表示，该技术尚未通过完整的火箭发动机测试验证。

除航天领域外，NMIS还确定了在航空航天、能源和造船等需要耐腐蚀材料的领域的潜在应用。该工艺还可支持现有部件的修复与再制造。

NMIS数字工厂高级技术专家Calum Hicks表示：「该项目是一个重要里程碑，展示了先进制造技术如何应用于复杂的火箭发动机部件。开发铜质火箭喷嘴使我们能够探索生产高性能热管理结构的新方法，缩短开发时间并提高生产效率。这项工作增强了英国在航天领域及其他领域的能力。」

NMIS高级研发工程师Ryan Devine补充道：「这项工作的真正价值在于展示了先进制造如何从实验阶段迈向实际应用。通过将工程专业知识与高压冷喷涂等创新工艺相结合，我们正在帮助制造商重新思考复杂部件的设计、生产和维护方式。通过这些步骤，我们能够支持更快的开发周期和更具韧性的制造体系。」

冷喷涂增材制造（CSAM）已被认为是基于熔化的工艺在技术上可行的替代方案，但其在工业规模上的应用仍然有限。NMIS的铜火箭喷嘴项目旨在弥合这一差距。该工作旨在证明HPCS能够支持大型、几何复杂部件的完整生产流程——而不仅仅是精密修复或小规模原型制作。火箭喷嘴具有内部冷却通道和铜结构，代表了任何制造方法更难的测试案例之一，这也正是其结果在航天领域之外具有重要意义的部分原因。

很少有应用比推进领域更能体现冷喷涂的工业轨迹，该技术正越来越多地被用于制造火箭发动机的铜合金燃烧室。Impact Innovations与英国推进设计公司Airborne Engineering（AEL）合作，通过CSAM演示了燃烧室部件的制造，生产了一个由再生冷却铜合金内衬和Inconel外壳组成的入口歧管。该工艺的沉积速率比同类粉末床熔融方法快20倍以上，同时消除了通常在此应用中限制PBF的热应力和表面粗糙度问题。

冷喷涂也已进入机构航天项目。ArianeGroup为欧洲航天局（ESA）Prometheus发动机生产的全3D打印燃烧室——在2020年成功进行了14次点火测试——其外壳采用了CSAM，同时使用了低成本铜合金冷却通道。该验证是在ESA的未来运载器预备计划下进行的，标志着向完全通过增材方法制造的火箭发动机迈出了一步。

综合来看，这些发展表明冷喷涂正从实验性使用转向更明确的工业角色——并非作为通用解决方案，而是作为传统方法无法满足需求的高性能部件的一种可行选择。