NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印銅合金材料，并通過(guò)該材料和選區(qū)激光熔化3D打印設(shè)備制造了一種火箭推進(jìn)部件。

這一新材料是GRCop-42，它是一種高強(qiáng)度，高導(dǎo)電率的銅基合金，由NASA 馬歇爾太空飛行中心（MSFC）和俄亥俄州的美國(guó)宇航局格倫研究中心（GRC）的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建。

圖：NASA 馬歇爾太空飛行中心進(jìn)行3D打印噴嘴的熱火試驗(yàn)。 來(lái)源：NASA / MSFC。

高導(dǎo)熱性-蠕變性和高溫強(qiáng)度

GRCop-42 銅合金粉末可用于生產(chǎn)近乎完全密集的3D打印部件，如火箭燃燒室內(nèi)襯和燃料噴射器面板。

GRCop-42 3D打印銅合金粉末還有一個(gè)“前身“-GRCop-84。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，NASA 從2014年開(kāi)始開(kāi)發(fā)這種用于制造火箭燃燒室的GRCop-84 3D打印銅合金粉末。

繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對(duì)3D打印的GRCop-84組件進(jìn)行熱火試驗(yàn)后，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始開(kāi)發(fā)GRCop-42。NASA 希望通過(guò)該材料具有與GRCop-84相似強(qiáng)度，但具有更高導(dǎo)熱率。NASA 研究人員表示，通過(guò)該材料制造的增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室組件將“超過(guò)傳統(tǒng)方式制造的上一代產(chǎn)品”。

整個(gè)2018年，NASA團(tuán)隊(duì)對(duì)GRCop-42 金屬粉末進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)證明了其可加工性。這類增材制造設(shè)備此前被用于制造GRCop-84 銅合金粉末材料。

NASA研究團(tuán)隊(duì)在測(cè)試過(guò)程中使用Concept Laser M2 金屬增材制造系統(tǒng)制造了25個(gè)小組件，打印層厚為之前制造GRCop-84材料時(shí)的50%（0.045mm）。

研究人員觀察到，用GRCop-42 材料3D打印的組件冷卻得更快。NASA研究人員通過(guò)熱等靜壓機(jī)（HIP）進(jìn)行后處理，從而降低金屬孔隙率，然后將組件送至格倫研究中心進(jìn)行其他后處理和室溫拉伸測(cè)試。

NASA 測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由GRCop-42制成的3D打印金屬部件表現(xiàn)出高導(dǎo)熱性，優(yōu)異的蠕變（變形）性和高溫強(qiáng)度。

NASA團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)將通過(guò)構(gòu)建更大的3D打印組件，來(lái)測(cè)試GRCop-42 銅合金粉末的參數(shù)集。

3D科學(xué)谷-Review

銅是一種導(dǎo)熱性和反射性極佳的材料，這一屬性也使選區(qū)激光熔化技術(shù)在進(jìn)行銅合金零件增材制造時(shí)充滿挑戰(zhàn)。銅金屬在激光熔化的過(guò)程吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，多家火箭制造企業(yè)在開(kāi)發(fā)銅合金3D打印工藝，并通過(guò)這一技術(shù)制造功能集成的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領(lǐng)域取得的突破，為制造新一代RL10發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統(tǒng)工藝制造的，由多個(gè)不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個(gè)銅合金零件構(gòu)成。

相比傳統(tǒng)的制造工藝，選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)為推力室的設(shè)計(jì)帶來(lái)了更高的自由度，使設(shè)計(jì)師可以嘗試具有更高熱傳導(dǎo)能力的先進(jìn)結(jié)構(gòu)。而增強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力使得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)更加緊湊和輕量化，這正是火箭發(fā)射技術(shù)所需要的。

從事小型火箭制造與發(fā)射的航天初創(chuàng)企業(yè)Launcher 也測(cè)試了銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件。Launcher去年以來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)概念驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)E-1 ，這是一種3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動(dòng)機(jī)部件，集成了復(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)計(jì)將使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率得到提升。

NASA在2015年取得了銅合金部件3D打印方面獲得進(jìn)展，制造技術(shù)也是選區(qū)激光熔化3D打印，打印材料為GRCo-84銅合金。NASA用這項(xiàng)技術(shù)制造的3D打印零件為火箭燃燒室襯里，該部件總共被分為8,255層，進(jìn)行逐層打印，打印時(shí)間為10天零18個(gè)小時(shí)。

這個(gè)銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個(gè)復(fù)雜的通道，制造這些微小的、具有復(fù)雜幾何形狀的內(nèi)部通道，即使對(duì)增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)也是一大挑戰(zhàn)。部件打印完成后，NASA的研究人員使用電子束自由制造設(shè)備為其涂覆一層含鎳的超合金。NASA的最終目標(biāo)是要是要使火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造速度大幅提升，同時(shí)至少降低50%的制造成本。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，國(guó)內(nèi)金屬3D打印企業(yè)鉑力特已在銅金屬激光成形領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研制出針對(duì)難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬的3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。