High-temperature strength multi-functional multi-material structures for aerospace applications

Abstract

O funcionamento de um rocket engine consiste em expelir gás a alta temperatura para produzir impulso e levantá-lo do solo. As temperaturas de combustão são extremamente elevadas, pelo que o arrefecimento destes componentes é crítico para evitar a sua destruição. No entanto, alguns engines são mais difíceis de arrefecer devido à sua grande área superficial, o que leva a uma diminuição da temperatura de funcionamento e, portanto, diminuição da eficiência energética. Um arrefecimento ineficiente e um baixo fluxo de calor não garantem a resistência necessária dos materiais para suportar as tensões impostas (pressão do fluido, gradientes térmicos e outras cargas). Em condições ideais, um motor de foguete deve ter alta resistência em condições extremas de temperatura, alta resistência à corrosão e fluência para suportar condições operacionais severas de temperatura e pressão; alta capacidade de extração de calor para reduzir os gradientes térmicos e, portanto, as tensões térmicas; baixo peso para aumentar a eficiência energética e reduzir o consumo de combustível. Assim, esta tese de doutoramento consiste na conceptualização e desenvolvimento de soluções multi-materiais multi-funcionais para superar todas as preocupações acima mencionadas e aumentar a eficiência e a vida útil do motor de foguete. Técnicas de Metalurgia dos Pós e Manufatura Aditiva , especificamente Prensagem a Quente e Fusão a Laser de camada de pó foram exploradas para fabricar soluções mono-material e multi-materiais multi-funcionais para aplicação em rocket engines. Estas tecnologias permitiram produzir soluções mono-materiais de Inconel 718 e soluções multimateriais constituídas por diferentes pares de materiais como o Inconel 718 - Cobre e o Inconel 718 - Alumínio. Estas abordagens propõem incluir novas funções a estes rocket engines, envolvendo conceitos como condutividade térmica e baixo peso, garantindo resistência mecânica. Estas soluções foram caracterizadas morfológica, metalúrgica e termicamente revelando uma combinação adequada de propriedades para estabelecer uma solução adequada de acordo com componentes exigentes.

Rocket engines operation consists of expelling high temperature gas to produce a thrust and take it off the ground. Combustion temperatures are extremely high, so the cooling of these components is critical to avoid its destruction. Nevertheless, some engines are harder to cool due to its large surface area which leads to a decrease on running temperature and so, decrease on energy efficiency. An inefficient cooling and low heat flow do not assure the needed materials strength to withstand the stresses imposed (fluid pressure, thermal gradients and other loads). In ideal conditions, a rocket engine must have high strength in extreme temperature conditions, high corrosion and creep resistance to withstand the severe temperature and pressure operating conditions; high heat extraction ability to reduce the thermal gradients and thus, thermal stresses; low weight to increase energy efficiency and reduce the fuel consumption. Accordingly, this PhD thesis consists of the conceptualization and development of multi-functional multi-material solutions to overcome all the abovementioned concerns and increase the rocket engine efficiency and lifetime. Powder Metallurgy and Additive Manufacturing techniques, specifically Hot Pressing and Laser Powder Bed Fusion, were exploited to manufacture mono- and multi-material multi-functional solutions for being applied on rocket engines. These technologies allowed to produce mono-material Inconel 718 solutions and multi-material solutions constituted by different pairs of materials such Inconel 718 - Copper and Inconel 718 – Aluminium. These approaches propose to include new functions to these rocket engines by involving concepts like thermal conductivity and low-weight while assuring the mechanical strength. These solutions were morphologically, metallurgically and thermally characterized revealing an adequate combination of properties to establish a solution according to component demanding.