采用3D打印制造火箭發(fā)動機(jī)部件已經(jīng)被業(yè)內(nèi)專家作為一種潛在的解決方案，基于輕量化和一體化的制造優(yōu)勢，3D打印可以減少部件的總數(shù)量并能釋放火箭的容量，同時帶來成本的降低。在這個過程中，材料及其安全可靠的打印工藝是極其重要的。本期，3D打印技術(shù)參考帶來NASA對一種火箭推進(jìn)部件用新合金的開發(fā)備忘錄。

▌項目背景

2014-2017年，來自馬歇爾航天飛行中心（MSFC）、美國宇航局格倫研究中心（GRC）和蘭利研究中心的團(tuán)隊完成了GRCOP-84（Cu-8%Cr-4 %Nb）銅合金SLM工藝開發(fā)，并利用其進(jìn)行了液氧甲烷發(fā)動機(jī)燃燒室的低成本制造。2016-2017年，MSFC進(jìn)行了幾次成功的高溫試驗。該項目的另一個里程碑是發(fā)布了GRCOP-84的成分?jǐn)?shù)據(jù)，其目的是可以獲得更多的粉末供應(yīng)商以及3D打印服務(wù)商。下一步的開發(fā)工作自然指向了GRCOP-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）銅合金，這是一種相比前者具有相似強(qiáng)度但可以提供更高熱導(dǎo)率的新材料，這使得發(fā)動機(jī)的性能可以進(jìn)一步得到提高。

2015年，NASA 3D打印首個全尺寸GRCOP-84

銅合金燃燒室

GRCOP-42粉末此前難以生產(chǎn)，但參與GRCOP-84制造的粉末供應(yīng)商現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)入這種類似合金的生產(chǎn)開發(fā)。較低的Cr和Nb含量實際上比GRCOP-84更容易加工，因為當(dāng)銅熔化時，Cr和Nb反應(yīng)非常迅速，Cr2Nb會漂浮到靜止熔化物的表面。因此，GRCOP-84中增加的Cr2Nb超過了GRCOP-42的溶解度。本研究中使用的GRCOP-42粉末的尺寸規(guī)格為0–44μm。

▌開發(fā)過程

GRCop-42的3D打印工藝開發(fā)是基于Concept Laser M2完成的，選擇該設(shè)備的主要原因是，它曾被用于GRCOP-84開發(fā)，具有一定的“銅友好性”，400 W的激光功率可以很容易地達(dá)到完全熔化GRCop-42所需的高能量密度。雖然GRCOP-84采用0.03mm的分層厚度并取得了成功，但事實證明，以這種速度構(gòu)建較大的組件非常耗時，基本上275毫米高的部件需要28天才能完成打印。在GRCop-42的開發(fā)過程中，人們希望它能以更快的速度進(jìn)行打印，并可以擴(kuò)展到更大成型尺寸的設(shè)備，以生產(chǎn)更高推力的發(fā)動機(jī)。GRCop-42的高導(dǎo)電率意味著可以使用更低的能量，在較厚的粉層上實現(xiàn)穩(wěn)定的熔池，調(diào)試工作最終以0.045 mm的分層厚度開始。

M2打印機(jī)參數(shù)表

在2018年初，研究人員對42個參數(shù)進(jìn)行了初步試驗，建立了不同工藝組合的25個小塊。GRCop-84最佳的打印工藝能量密度為95.2 J / mm3（見表A欄），GRCop-42測試矩陣以與其相似的能量密度開始，其中功率范圍為225-325w，掃描速度范圍為800-1200mm/s，最低能量密度相當(dāng)于GRCop-84的一半。據(jù)推斷，較厚的層需要稍微更小的掃描間距才能完全熔化，因此掃描間距稍有減?。ㄒ姳鞡欄和C欄）。

GRCop-42邊界參數(shù)

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，較高能量密度條件下樣品存在過熔現(xiàn)象，零件周圍的粉末迅速吸收熱量。將25個樣塊進(jìn)行破壞性顯微鏡檢測，對YZ平面使用圖像分析軟件確定每個樣本中孔隙的平均孔徑和平均孔隙度，在Excel中計算圓形等效直徑，并將這些值繪制在與參數(shù)對齊的顏色圖上。

孔隙度圖譜 : (a)總孔隙度(%), (b)平均孔徑(μm)

在所有數(shù)據(jù)中心找出平均孔徑小于15μm，密度大于98%的參數(shù)集，這些參數(shù)隨機(jī)分布在構(gòu)建板的25個樣塊中。然后進(jìn)行機(jī)械測試件的打印，測試件直徑為13 mm，Z方向高度為100 mm，每種參數(shù)均使用不同參數(shù)打印。研究人員對功率與掃描速度以及構(gòu)建板上每個試樣的位置進(jìn)行了標(biāo)注，左上為NW，右上為NE，左下為SW，右下為SE，其中“O”為中心樣本。

▌后處理與機(jī)械測試

打印完的樣品遵循GRCOP-84的標(biāo)準(zhǔn)處理工藝進(jìn)行熱等靜壓，然后進(jìn)行機(jī)加工和室溫拉伸試驗。測試件被加工成ASTM E8型圓形拉伸試樣，然后按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗。無論每個試樣的制造質(zhì)量如何，測試過程都要保證快速和一致性。

機(jī)械測試樣件分布圖

上圖顯示了構(gòu)建板上的樣件布局。20個綠色試樣的極限拉伸強(qiáng)度（utss）范圍很窄，僅從339MPa到356MPa不等，延伸率大于20%。在剩下的5個標(biāo)本中，有2個（黃色）的拉伸強(qiáng)度與大多數(shù)樣件類似，但延伸率僅有12%和15%；另外兩個（紅色）的拉伸強(qiáng)度僅有180MPa和197MPa，幾乎沒有延伸；最后一個（藍(lán)色）的拉伸強(qiáng)度最高，達(dá)到459MPa，具有中等延伸率（12%）。在初始密度研究中，NE1-1、NE1-2、E-1和E-2樣本具有最高的總孔隙度和最高平均孔徑。NW1-1樣本并未進(jìn)行熱等靜壓處理，這也解釋了它非常高的強(qiáng)度和較低的延展性。

END

這項研究發(fā)現(xiàn)，GRCOP-42是一種易于打印的合金，可以制備完全致密的部件，相比GRCOP-84可以達(dá)到更快的成型速度并具有一致的性能。利用平均孔隙度和孔徑進(jìn)行初始參數(shù)測試也顯示出預(yù)測力學(xué)性能的良好效果，對延伸率的影響尤其明顯。采用優(yōu)化的新工藝，3D打印速度提升越20%，原來28天才能完成打印的部件現(xiàn)在僅需要22天多一點，幾乎節(jié)省了一周的時間。

然而這并不意味著這已經(jīng)是最優(yōu)的工藝，更高的功率往往會導(dǎo)致孔隙增多，而且還可能造成零件粘粉難以去除。因此，需要找到能量密度更低、更快、更加適宜的參數(shù)。研究人員仍需要對確定的參數(shù)集進(jìn)行廣泛的測試，同時需要對不同批次的粉末進(jìn)行研究，排除外在因素的影響。