确保3D打印零部件在复杂工况下的质量与可靠性，始终是行业关注的核心。在传统制造模式下，零部件的质量鉴定通常依赖于大量物理测试和经验积累，需要经过多次设计、制造和测试循环才能最终定型。这种模式不仅周期长、成本高，更重要的是，由于缺乏对材料微观结构和疲劳演化机理的精确预测手段，新部件在极端环境下的长期性能难以在设计阶段被充分掌握。

在此背景下，数字孪生技术展现出重要价值。数字孪生技术通过构建基于物理机制的高保真计算机模型，将增材制造零部件的微观结构演化与疲劳损伤机理集成于模拟框架之中，从而实现对部件全生命周期性能精准预测。数字孪生技术为未来的增材制造零部件鉴定与认证流程提供新的方法论支撑，有望从根本上缩短航天部件的研发周期，降低研发成本并提高质量。

 通过高复杂度增材制造零件推进数字孪生模型开发

根据3D科学谷的市场观察，NASA空间技术研究所 —— 基于模型的增材制造鉴定与认证研究所（IMQCAM），正在开展一项旨在将数字孪生技术变为现实的前沿探索。

该研究所成立于2023年，由美国国家航空航天局资助、卡内基梅隆大学与约翰斯·霍普金斯大学联合领导。他们的核心目标是开发一套能够精准预测航天部件疲劳性能的数字孪生模型，并将其嵌入未来的鉴定与认证流程。

研究团队通过EOS M290 L-PBF设备3D打印的复杂部件。

由于数字孪生模型的准确性必须经过严苛的实物验证。因此，研究团队采取了一种策略性的验证方法：他们制造一个极具代表性的高复杂度的增材制造部件作为“挑战件”，以此为标尺来检验和完善尚在开发中的数字模型。

据了解，这一部件由项目合作伙伴普惠公司提供设计，具备航空航天发动机零部件的典型特征，设计复杂且需耐受高温载荷，是检验模型预测能力的理想对象。

 物理与数字的闭环：从实物测试到模型校准

卡内基梅隆大学团队负责增材制造工艺环节，他们利用标准钛合金成功完成了该挑战件的首轮3D打印。随后，这一实物部件将经历一系列机械加载、高温环境及疲劳测试，以获取其在真实工况下的性能数据。与此同时，约翰斯·霍普金斯大学团队开发的基于物理机制的多尺度计算机模型，则将在数字空间中对同一部件进行性能与寿命的模拟预测。

通过将实物测试数据与数字模型的预测结果进行精确对比，研究团队能够系统评估并校准模型的准确性。

在测试平台上露出的完整打印部件。

项目负责人强调，核心关注点在于产品的一致性，最终的考验在于证明模型能够适用于预测具有实际复杂度的增材制造部件。将基于物理的建模与人工智能/机器学习（ML）及不确定性量化方法进行稳健融合，则为构建一个能够应对这一挑战的数字孪生平台奠定了基础。

3D打印部件俯视图，展示了用于测试数字孪生建模及疲劳性能的设计。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 持续迭代：迈向更复杂材料与工艺的验证

根据3D科学谷的了解，目前，研究团队已将首个版本的钛合金增材制造复杂部件进行验证。研究人员将通过干涉测量等非接触测量手段，对部件的外部质量、残余应力影响及热处理后的性能进行全面分析。团队计划后续在更多样化的工艺条件下，3D打印该部件的多个迭代版本，并将使用镍基高温合金Inconel 718材料增材制造这款部件。随着验证工作的深入，这一数字孪生模型将不断吸收来自实物测试的数据反馈，逐步完善其对航天部件性能的预测能力。

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▲ 扫码预约发现3D打印之旅

根据3D科学谷《接近已知物理的极限, SpaceX Raptor 3增材制造成就火箭工程简约的胜利》一文，随着 SpaceX 的 Raptor 3 发动机的亮相，埃隆马斯克对雄心勃勃愿景的偏爱再次变成了现实。Raptor 3 简化设计的一个关键因素是将二次管道集成到主泵中。这种整合以及某些结构的移除使发动机更轻但更强大。然而，这种流线型设计的代价是增加了制造复杂性。Raptor 3 的生产需要先进的制造技术。大量使用冷却通道壁需要复杂的机械加工和钎焊工艺。SpaceX 很可能利用3D打印技术克服这些生产挑战，突破火箭制造的界限。

如果说Raptor 3 发动机的亮相暗示着3D打印已经成为航天制造主流技术，那么NASA的RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目则是推动航天制造技术快速发展的幕后推手之一。

▲ 增材制造火箭发动机的先进性
© 3D科学谷白皮书

美国宇航局（NASA）的RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目是一项前沿技术研究，利用增材制造技术，也就是通常所说的3D打印技术，来开发新的合金和制造火箭部件。这个项目由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心主导，通过结合先进的材料科学和制造工艺，旨在提高火箭发动机的性能和可靠性，同时降低成本和制造时间。

保罗·格拉德尔（Paul Gradl）作为该项目的首席研究员，强调了NASA在飞行器设计、测试和集成方面的优势，特别是在极端环境下对材料的应用和创新组件设计。通过深入了解材料的微观结构和特性，NASA能够开发出更适合太空任务需求的组件。

根据3D科学谷，到目前为止，RAMPT项目的一些关键成就包括：

• 500次3D打印喷射器、喷嘴和燃烧室硬件试射，总计超过16,000秒。
• 开发全尺寸版本的主力RS-25发动机，预计可将成本降低高达70%，并将制造时间缩短一半。
• 复合材料的使用，与传统的双金属燃烧室相比，重量减轻了40%。
• 成功验证了新合金GRCop42，并帮助商业发射提供商Relativity Space在2023年3月发射了第一枚完全3D打印的火箭。

为进一步提高其性能，在结构设计方面，需要在下列方向重点突破：1)开展发动机多功能耦合设计和协同优化方面的研究，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的研制体系。在更高的总体设计角度中实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成；燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合；热、力、声等多物理场优化，实现刚度、质量、模态等动静性能的协调匹配。2)开展增材制造工艺约束和材料性能方面的研究，针对形成的制造体系，开展发动机重点材料牌号、典型结构部件在多物理场下的力学性能等基础理论攻关，形成面向增材制造的发动机材料结构性能数据库，为发动机结构设计体系的建立提供支撑。

《融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》谭永华等

 发动机组件技术突破

根据3D科学谷《世界上第一个双金属（铜合金-镍基超合金）旋转爆震火箭发动机 (RDRE) 喷射器，NASA新突破》一文，双金属火箭发动机喷射器是一种利用3D打印技术制造的先进部件，它结合了两种不同金属材料的特性，以提高火箭发动机的性能和效率。这种喷射器通常采用高导热的铜合金（如GRCop-42）来制造喷射器面板，以确保在高热环境下能够维持较低的温度，从而延长喷射器的使用寿命和可靠性34。同时，使用高强度、耐氧化的镍基超合金（如Monel K500）来制造歧管，允许歧管在保持结构完整性的同时，壁厚更小，减轻整体重量，提高火箭发动机的性能。

3D打印技术使得这种双金属结构的制造成为可能，它具有最佳的制造精度、力学性能、表面质量以及复杂结构制造能力3。然而，在制造过程中，确保两种材料之间的精确几何对齐、避免材料交叉污染以及实现高强度双金属结合都是需要克服的技术挑战。

这种双金属喷射器的成功研发和应用，不仅提高了喷射器的性能和可靠性，还为未来的火箭发动机设计提供了新的思路和方法34。它体现了3D打印技术在一体化和轻量化制造方面的优势，推动了更高耐热性能的实现，并提高了火箭发动机的整体性能34。此外，这种结构的成功制造是增材制造技术的重要突破，展示了在材料科学、制造工艺和工程设计方面的创新能力。

尽管多材料SLM选区激光熔融3D打印工艺取得了很大进步，但距离稳定高效批量生产组件仍有一定距离，此类工程化应用的案例仍然相当少。不过，以相对并不高的代价制造出创新的结构，以推动产品的发展，却具有重大意义。

RAMPT 项目不仅开发前沿制造技术，还开发充分理解该技术的手段，无论其应用是什么。这意味着要推进尖端模拟工具，以在微观结构层面确定新合金和复合材料的可行性——评估它们如何应对升空的严酷考验、太空的严寒以及与升空、着陆和长途运输相关的动态应力。

根据3D科学谷《深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件》，RAMPT项目的第三项关键技术开发是双金属增材制造，双金属的开发集中在铜合金（特别是GRCop-42或GRCop-84）和高温合金的耦合上。其中一个方面是燃烧室和喷管之间的轴向接头。轴向沉积发展的主要目标是表征和定义适当的界面所需的材料。

 材料技术突破

例如，NASA 成功交付了一种合金的精制版，称为 GRCop42，这种铜/铬/铌合金来增材制造需要高强度分散和高导电性的零件，该合金是近 40 年前在 NASA Glenn 制造的，它帮助商业发射提供商 Relativity Space 在 2023 年 3 月发射了第一枚完全 3D 打印的火箭。

根据3D科学谷《ODS、铜合金、HR-1、极温耐火合金 l 一文洞悉NASA的3D打印合金“家族”》一文，当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。显然，增材制造 (AM) 使得能够开发用于极端推进环境的新型合金，在这方面，美国国家航空航天局 (NASA) 拥有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，这些合金的材料特性、热火测试应用数据证明已经可用。

GRCop 是铜、铬和铌的组合，这种材料专门针对高强度、高导热性、高抗蠕变性进行了优化，这在高温应用中允许更大的应力和应变，具备良好的低周疲劳性能，可以防止材料在高温下失效。GRCop 合金的优点是导电率高、高温下强度良好以及操作过程中的稳定性。GRCop 合金通过粉末雾化过程中产生的 Cr2Nb 沉淀物进行弥散强化，并在L-PBF 激光粉末床熔融金属3D打印加工过程中进行精炼。与大多数低合金铜基合金相比，GRCop 合金还具有改进的抗氧化性和抗热白性。GRCop 合金允许热壁温度≥700 °C，具体取决于强度、蠕变和 LCF 要求。

由于推进剂的环境，氧化会导致热烫，氢气会导致氢环境脆化， NASA通过GRCop-42和GRCop-84铜合金来满足这些要求。其中，林德先进材料技术公司和美国国家航空航天局 (NASA) 在2024年签署了GRX-810合金金属粉末的许可协议。根据该协议，林德先进材料技术公司被授予营销和销售 GRX-810 合金的权利。

▲ NASA开发的增材制造合金
© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷的市场观察，NASA 已使用各种 GRCop-42 和 GRCop-84 制造的火箭发动机燃烧室腔室完成了液氧/氢 (LOX/H2)、液氧/煤油 (LOX/RP-1) 和液氧/甲烷 (LOX/CH4) 热火测试。

GRCop-42的诞生来自于NASA厚积薄发的积累，2014年，NASA就已经开始为GRCop-84开发L-PBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺，并成功建造了各种燃烧室并进行了热火测试。还进行了材料和性能表征。虽然测试表明GRCop-84 具有高强度和良好的 LCF 性能，但仍希望提高导热率。NASA于2018 年开始GRCop-42 的 L-PBF开发激光粉末床熔融金属3D打印工艺，NASA通过材料特性开发、组件演示和热火测试来进行合金的开发迭代。NASA 还鼓励商业和学术界参与的策略是提供公私合作合作机会，其中行业和学术界贡献了高达 25% 的项目开发成本，使他们能够从中获益。截至2023年，超过8家国际供应商正在积极生产GRCop粉末，超过12家商业3D打印服务公司将其作为标准材料选项。

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▲ 通过选区激光熔融PBF-LB加工GRX-810 构建的一系列组件：A) 涡轮叶盘，B) 具有内部通道的导流器，C) 喷射器，D) 再生冷却喷嘴，E) 带护罩的涡轮叶盘，F) 大型涡轮叶片
© NASA/AIAA SciTech

▲ NASA开发的合金
© 3D科学谷白皮书

 理想的高温合金

GRX-810 合金之前是由林德先进材料技术公司生产并经过NASA测试，其强度是传统增材制造合金的两倍，耐用性高出1000倍以上，并在高温下提供双倍的抗氧化性。这些特性使 GRX-810 合金成为航空航天领域高温应用的理想选择。

根据3D科学谷《航空部件的稳健金属增材制造工艺选择和开发》一文，当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。显然，增材制造 (AM) 使得能够开发用于极端推进环境的新型合金，在这方面，美国国家航空航天局 (NASA) 拥有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，这些合金的材料特性、热火测试应用数据证明已经可用。

▲ 极端环境下的增材制造合金
© 3D科学谷白皮书

NASA合金GRX-810是一种氧化物弥散强化 (ODS) 合金，可以承受超过 2,000 华氏度（1000多摄氏度）的温度，更具延展性，并且可以比现有的最先进合金的高温应力耐久性高出1,000 倍以上。GRX-810合金可用于制造用于高温应用的航空部件，例如飞机和火箭发动机内部的部件，因为 ODS 合金可以在达到断裂点之前承受更恶劣的条件。

 模型驱动的合金设计

根据3D科学谷《更坚固的高温合金 l Nature上发表的NASA可耐高达1000度高温的GRX-810材料开发、微观结构与性能研究》一文，在 GRX-810 中，稳定的 MC 碳化物和 W、Cr 和 Re 沿晶界的溶质偏析是对保护合金免受晶界失效机制影响的重要因素。先前的研究表明，碳化物在高温下的稳定性会影响蠕变过程中晶界裂纹的萌生。此外，据报道，晶界扩散率与蠕变过程中空洞形成的速率相关。因此，添加 W 和 Re（已知的慢扩散剂）应该会进一步抑制沿晶界形成蠕变空隙，而 Cr 偏析有望改善晶界腐蚀和氧化性能。在GRX-810合金中也观察到了应力诱导的氮化物形成，尽管这些内部氮化物的形成被认为对合金的性能有害，但 GRX-810 中的氮化物似乎不会像在 ODS-ReB 合金中观察到的那样导致晶界失效。

为了开发 NASA 合金 GRX-810，NASA的研究人员使用计算模型来确定合金的成分。然后，该团队利用3D打印将纳米级氧化物均匀地分散在整个合金中，从而提高了高温性能和耐用性能。模型驱动的合金设计如何能够使用更少的资源提供卓越的成分，该策略可以更深入地了解工艺-微观结构-特性关系，并量化改进的功能、特性和生命周期评估。与传统的制造方法相比，这种开发工艺更高效、更具成本效益且更清洁。

© 3D科学谷白皮书

而对GRX-810和Superalloy 718 进行的循环氧化测试的结果显示，在 1,093°C 高温下的暴露期间，显示的结果表明，GRX-810 在 1,093°C 时的氧化耐久性优于 AM增材制造高温合金 718，并且在 1,200°C 时明显更好。

与目前最先进的增材制造高温合金（超级合金718、超级合金 625 和 Haynes 230）相比，GRX-810 在 1,093°C 下的蠕变寿命提高了几个数量级。

此外，在 GRX-810 中观察到在3D打印条件和 3D打印后经过HIP热等静压条件下晶粒结构和平均晶粒直径几乎没有变化。这一发现表明，GRX-810中精细氧化物的分布足以抑制高温下的位错和晶界运动。

由于与NASA的长期合作，林德先进材料技术公司将GRX-810合金商业化，现在可以将其提供给增材制造市场。NASA的授权许可协议是开发新型增材制造下一代材料合作的一个很好的例子。

更多关于高温合金的开发与发展，敬请关注3D科学谷2024年将发布的《高温合金及钛合金白皮书》（第二版）

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太空金属3D打印
© NASA

 技术进步的新时代

太空3D打印是指在空间环境(微重力、真空、高低温等)下通过3D打印实现太空基地或构件的原位成形技术。太空3D打印技术通过将制造环境和应用环境统一，实现按需原位制造，解脱“地面制造-运输组装”的传统模式，大大提高了航天活动的灵活性，降低了技术成本，具有广阔的应用和发展前景。

NASA和ESA欧洲航天局的研究项目重点是太空中的3D打印，据悉，ESA（欧洲航天局）的一个项目正在测试微重力下小型金属零件的增材制造工艺，这项调查让欧洲航天局初步了解了这种打印机在太空中的表现。

另一个重点项目是微重力下的半导体制造，NASA和ESA欧洲航天局的研究人员正在研究微重力如何影响具有广泛应用的薄膜。

据悉，太空中的3D打印可以生产具有卓越表面结构的薄膜的潜力以及从能量收集到先进传感器技术的广泛应用尤其具有突破性。这代表了太空制造的重大飞跃，可能预示着技术进步的新时代，对太空探索和地面应用产生广泛影响。

虽然这个最初的试点计划旨在比较地球和太空中生产的薄膜，但最终目标是扩展到半导体领域内的各种生产领域。科研人员改进了传感器以收集更多测量数据，并改进了通信系统以传输更多数据。科研人员有机会测试美国宇航局提供的几个以前从未测试过的隔热罩。

除了这些项目之外，机器人手术技术演示也正在进行测试，以研究小型遥控机器人在手术过程中的性能。此外，科研人员正在研究在太空中培养软骨组织，以开发针对软骨退化的疗法。

这些任务表明人们对利用太空进行研究和开发的兴趣日益浓厚，这对于太空旅行和地面应用都很重要。这类项目不仅展示了微重力促进科学技术进步的潜力，还有助于长期改善地球上的生活。

 半导体应用

半导体封装的一个主要高价值用例是打印3D互连，以将芯片连接到其他芯片、传统电路板，甚至直接集成到可穿戴设备等终端产品中。在这种情况下，该工艺取代了传统的丝焊，因为它具有更小的空间要求、更低的损耗（特别是在高频和毫米波中）和更高的机械可靠性。

© 3D科学谷白皮书

市场上Optomec微米级的气溶胶喷射技术是由该公司成熟的气溶胶喷射精细打印解决方案与一种可实现快速即时凝固的原位固化专有技术相结合而来的。与其他高分辨率3D打印技术的不同之处在于，其他3D打印技术是在进行全面的材料沉积之后再根据图案局部固化，而气溶胶喷射技术则是进行局部材料沉积和局部固化，这使得整个过程在材料的消耗方面更加经济，同时也是该技术实现高分辨的关键。

根据3D科学谷的了解，早期使用Optomec气溶胶喷射3D打印技术的用户已经将该技术应用到智能设备和微流控领域。使用该技术可以在无需添加支撑结构的情况下使用光聚合物等材料打印出微米级的高纵横比以及拥有不规则形状的3D结构。通过将这些3D结构直接喷印在天线、传感器、半导体芯片、医疗设备或工业零部件等结构上，在一台设备上即可制造出功能性3D电子组件。这种直接的数字方法优化了制造工艺，减少了生产步骤和材料用量，因此气溶胶喷射3D微结构打印技术也是一种经济的、绿色技术。

 微重力3D打印

西安交通大学李涤尘教授团队在《增材制造—面向航空航天制造的变革性技术》一文，分析了增材制造在航空航天领域应用发展的3个层面，聚焦航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印主题。

根据西安交通大学李涤尘教授团队，太空制造将由实验走向应用，这将改变现有的航天器制造模式，极端环境、失重、低功耗等条件下，增材制造技术会面临许多新的挑战和机遇，太空增材制造技术有可能成为太空科技的新热点。

根据3D科学谷的市场观察，世界范围内在太空3D打印领域的聚焦各有不同，这其中，2023年，NASA太空非晶金属制造 (MSL SCA-FAMIS) 研究聚焦于在微重力下加工的块体金属玻璃 (BMG) 和钨球复合材料的微观结构。BMG也称为非晶金属，具有优异的机械性能，例如耐磨性。用钨和 BMG 形成复合材料可以创造出一种新型的高性能合金和涂层，但两者之间巨大的密度差异使得在地球重力下实现这一目标具有挑战性。这项研究可能会导致新型金属合金的开发，用于齿轮、轴承、耐磨涂层以及航天器和机器人的其他元件，支持未来的太空探索任务。

2020年，长征五号B（以下简称“长五B”）遥一运载火箭在海南文昌航天发射场将我国新一代载人飞船试验船成功送入预定轨道。在本次任务中，由中国科学院牵头负责的空间应用系统在新飞船试验船安排了在轨精细成型实验、材料摩擦行为实验、微重力测量试验等三项科学实（试）验，为未来我国空间站建设运营以及走向更遥远的深空，进行前瞻科学研究和技术验证。

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这个喷管是通过NASA 马歇尔太空飞行中心的工程师与一家创业企业 Elementum 3D 合作，采用了Elementum 3D 开发的可焊接的铝合金，与其他金属相比，铝的密度较低，可用于制造高强度、轻质的部件。

定向能量沉积铝合金材料
© NASA

根据3D科学谷,  DED定向能量沉积增材制造技术，允许整个推力室总成（TCA）在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道，从而无需进行封闭操作，这样的好处是明显的，不仅可以显着减少零件和焊接操作，并使得整个推力室总成（TCA）更加可多次利用。

航空航天金属3D打印技术分类

© 3D科学谷白皮书

 新里程杯

NASA的铝合金喷管是一种新的突破，由于铝对极热的耐受性较低且在焊接过程中容易破裂，因此此前，铝通常不用于火箭发动机零件的增材制造。

该项目获得了NASA空间技术任务理事会 (STMD) 的资助，目的是专注于推进轻质、增材制造的铝制火箭喷管。喷管设计有小的内部通道，使喷管保持足够凉爽以防止熔化。

NASA和Elementum 3D首先开发了名为 A6061-RAM2 的新型铝合金，用于构建喷管，另一个商业合作伙伴RPM Innovations (RPMI)，通过 LP-DED 激光粉末定向能量沉积工艺制造 RAMFIRE 喷管。这种新型合金可以在制造能够承受高结构载荷的轻型火箭部件方面发挥重要作用。

© NASA

此外，位于阿拉巴马州亨茨维尔马歇尔太空飞行中心的真空夹套制造演示罐采用与 RAMFIRE 项目相同的 6061-RAM2 铝材料开发。该组件专为低温流体应用而设计，设计带有一系列壁厚约为0.06英寸的整体冷却通道。

© NASA

此前，在马歇尔东部试验区，两个 RAMFIRE 喷管使用液氧和液氢以及液氧和液甲烷燃料配置完成了多次热火测试。由于压力室超过 825 磅每平方英寸 (psi)（超过预期的测试压力），喷管成功累积了 22 次启动和 579 秒（即近 10 分钟）的运行时间，这表明喷管可以在最苛刻的深空环境中运行。

 高性能应用工艺开发

在对喷管进行一系列严格的热火测试后，证明了该喷管能够承受月球着陆器规模发动机的热、结构和压力负载。除了成功建造和测试火箭发动机喷管外，RAMFIRE项目还通过3D打印RAMFIRE铝材料来制造其他先进的大型部件，目前用于演示目的，其中包括直径为36英寸的气动塞式喷管，具有复杂的整体冷却通道和用于低温流体应用的真空夹套罐。

根据3D科学谷《用于极端环境下的动力推进 l 一文洞悉NASA的3D打印合金“家族”》一文，NASA 通过详细的增材制造工艺和热处理表征以及机械和热物理测试，使常用航空航天合金的各种系列（镍、铜、不锈钢和钢、铝和钛基）在增材制造领域的应用变得成熟。虽然这些合金被积极用于许多推进应用，但仍需要通过集成计算材料工程 (ICME) 和高性能应用的工艺开发来持续进行增材制造合金优化。

现代液体火箭发动机的运行环境十分严酷，其中腔室温度可能超过 3300 °C，腔室和冷却剂压力超过 410 bar，恶劣的腔室条件和薄热壁相结合，导致整个壁的热梯度通常超过 230 °C，从而产生高热应力。除了要求高性能的拉伸和疲劳性能之外，断裂韧性也至关重要，根据环境的不同，可能还需要满足耐腐蚀和耐磨性。其他环境因素，例如辐射、原子氧、紫外线或等离子体，也可能对材料所需的性能提出额外的要求。因此，操作环境决定了合金所需的性能，这些特性源自工艺-微观结构-特性之间的相互关联性。

NASA 和行业合作伙伴正在努力与商业利益相关者和学术界共享数据和流程。多家航空航天公司正在评估这种新型合金和 LP-DED 激光粉末定向能量沉积增材制造工艺，并寻找将其用于制造卫星和其他应用部件的方法。

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根据3D科学谷《航空部件的稳健金属增材制造工艺选择和开发》一文，当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。显然，增材制造 (AM) 使得能够开发用于极端推进环境的新型合金，在这方面，美国国家航空航天局 (NASA) 拥有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，这些合金的材料特性、热火测试应用数据证明已经可用。结合《Advancement of extreme environment additively manufactured alloys for next generation space propulsion applications》论文，3D科学谷与谷友一起洞悉洞悉NASA的3D打印合金“家族”的3D打印工艺、集成计算材料工程（ICME）、及各种合金的性能。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009457652300334X

液体火箭发动机系统中的每个部件都必须符合环境、系统负载和寿命要求。燃烧室在燃烧过程产生的高热通量下运行，并且通常使用推进剂主动冷却，以保持合理的壁温并避免熔化。低循环疲劳 (LCF) 通常是一个关键考虑因素，因为腔室必须能够承受多次启动和持续的工作循环，以实现可重复使用。

NASA 开发了许多常用的增材制造合金。这些增材制造合金，包括铜基、铁基、镍基和耐火基合金，已被应用于各种推进应用中。火箭喷射器、喷嘴、涡轮叶片、燃烧器和其他热部件等推进部件在高温下持续运行并多次启动发动机。通常，镍基高温合金用于这些环境，但在大多数情况下，为了持续运行，温度通常限制在 900 °C 或更低。虽然 γ’ 沉淀强化镍合金可以在高达 1200 °C 的温度下维持满足一定的机械性能要求，但可能会限制这些部件的性能。

© 3D科学谷白皮书

使用增材制造技术先进的新型合金包括 GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103、C-103 CDS、Mo 和 W，专门用于火箭发动机以获得更高的性能。然而，仍然需要开发其他只能用增材制造生产的金属合金，以进一步提高发动机性能。它们将在充满挑战的环境（例如富氧分级燃烧发动机）中实现更高的工作温度、更高的压力和更长的使用寿命。

 GRX-810合金

GRX-810合金正在进一步成熟，以允许提高这些不同火箭部件的工作温度。该合金以 Ni-Co-Cr 为基础，可在高温下保持高性能。传统制造的 ODS 合金由于制造工艺的原因而受到高成本的困扰，但增材制造可以生产更经济的高性能 ODS 合金，例如 GRX-810。还可用于高复杂性 ODS 合金部件，例如喷射器。

根据3D科学谷《Nature上发表的NASA可耐高达1000度高温的GRX-810材料开发、微观结构与性能研究》一文，与在 1,093°C 下广泛用于增材制造的传统多晶变形镍基合金相比，GRX-810 的机械结果显示强度提高了两倍，蠕变性能提高了 1,000 多倍，抗氧化性提高了两倍。这种合金的成功凸显了与过去的“试错”方法相比，集成计算材料工程（ICME）模型驱动的合金设计如何能够使用更少的资源提供卓越的成分，该策略可以更深入地了解工艺-微观结构-特性关系，并量化改进的功能、特性和生命周期评估。这些结果展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将如何加速革命性材料的发现。

© 3D科学谷白皮书

在 GRX-810 中，稳定的 MC 碳化物和 W、Cr 和 Re 沿晶界的溶质偏析是对保护合金免受晶界失效机制影响的重要因素。先前的研究表明，碳化物在高温下的稳定性会影响蠕变过程中晶界裂纹的萌生。此外，据报道，晶界扩散率与蠕变过程中空洞形成的速率相关。因此，添加 W 和 Re（已知的慢扩散剂）应该会进一步抑制沿晶界形成蠕变空隙，而 Cr 偏析有望改善晶界腐蚀和氧化性能。在GRX-810合金中也观察到了应力诱导的氮化物形成，尽管这些内部氮化物的形成被认为对合金的性能有害，但 GRX-810 中的氮化物似乎不会像在 ODS-ReB 合金中观察到的那样导致晶界失效。

虽然工作温度和蠕变是几个考虑因素，但最佳设计还需要考虑极限和屈服等机械性能以及密度等物理性能。根据 NASA 格伦研究中心的测试，GRX-810 的蠕变断裂寿命比更传统的镍基高温合金（例如合金 625 和合金 718）在 1093 °C 下提高了几个数量级。

图:高温（1093 °C）下的极限拉伸强度的比较

科研人员还在 1,093°C 下进行蠕变测试以比较这些合金的性能，与锻造 Haynes 230 相比，成品 GRX-810 达到 1% 应变所需的时间要长 500 多倍，与增材制造超级合金 718 相比要长 1000 多倍。另外，拉伸结果表明，与 HIP热等静压处理的GRX-810 相比，3D打印后未经过HIP处理的GRX-810 表现出更好的高温性能。与在高真空环境中测试的变形 Nb 基合金 C-103 相比，GRX-810 甚至在此状态下提供更好的蠕变强度 。

 高导电率GRCop-42和GRCop-84

根据3D科学谷，NASA 开发了铜/铬/铌合金来增材制造需要高强度分散和高导电性的零件，这种合金就是 GRCop-42。

由于推进剂的环境，氧化会导致热烫，氢气会导致氢环境脆化， NASA通过GRCop-42和GRCop-84铜合金来满足这些要求。

2014年，NASA开始为GRCop-84开发L-PBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺，并成功建造了各种燃烧室并进行了热火测试。还进行了材料和性能表征。虽然测试表明GRCop-84 具有高强度和良好的 LCF 性能，但仍希望提高导热率。NASA于2018 年开始GRCop-42 的 L-PBF开发激光粉末床熔融金属3D打印工艺，NASA通过材料特性开发、组件演示和热火测试来进行合金的开发迭代。截至2023年，超过8家国际供应商正在积极生产GRCop粉末，超过12家商业3D打印服务公司将其作为标准材料选项。

GRCop 合金通过粉末雾化过程中产生的 Cr2Nb 沉淀物进行弥散强化，并在L-PBF 激光粉末床熔融金属3D打印加工过程中进行精炼。与大多数低合金铜基合金相比，GRCop 合金还具有改进的抗氧化性和抗热白性。GRCop 合金允许热壁温度≥700 °C，具体取决于强度、蠕变和 LCF 要求。3D科学谷《NASA划时代的旋转爆震火箭发动机，如何化解极端要求下的三大技术挑战？》一文中分享过NASA 开发的铜合金 GRCop-84 (Cu-8Cr-4 Nb at%) 和 GRCop-42 (Cu-4Cr-2 Nb at%) ，NASA的研究表明，GRCop-84 铜合金燃烧室衬里可以轻松实现 100 次维护服务之间和 500 次发动机寿命任务的目标。

表:GRCop-42 和 GRCop-84 的化学成分。

GRCop 是铜、铬和铌的组合，这种材料专门针对高强度、高导热性、高抗蠕变性进行了优化，这在高温应用中允许更大的应力和应变，具备良好的低周疲劳性能，可以防止材料在高温下失效。GRCop 合金的优点是导电率高、高温下强度良好以及操作过程中的稳定性。由于 Cr2Nb 含量较高，GRCop-84 在各种温度下均表现出较高的强度，并且低周疲劳性能略有改善。

铜合金燃烧室
© RPMI/TRUMPF/NASA

NASA 已使用 GRCop 合金来制造和测试 60 多个燃烧装置部件。商业航天工业也在开发和飞行应用中使用 GRCop-42。其中包括带通道的冷却室、喷射器和点火系统。NASA 已使用各种 GRCop-42 和 GRCop-84 制造的火箭发动机燃烧室腔室完成了液氧/氢 (LOX/H2)、液氧/煤油 (LOX/RP-1) 和液氧/甲烷 (LOX/CH4) 热火测试。

此外，2023年3月，Relativity Space的人族Terran 1 火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空，照亮了夜空。这是首次发射由3D打印部件制成的测试火箭，作为增材制造的一种形式，3D 打印是增强能力和降低成本的关键技术。Terran 1 火箭带有九个由GRCop铜合金制成的增材制造发动机燃烧室，其高温接近 6,000 华氏度。

图:GRCop 合金腔室的开发和热火测试。

根据3D科学谷的了解，NASA通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜腔室的后端沉积双金属材料，形成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管，并实现连续冷却，从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题，随后通过碳纤维聚合物基复合材料（PMC）外包装将整个推力室总成（TCA）进行外包装。

 耐氢NASA HR-1

液体火箭发动机的另一个关键部件是排气喷嘴，需要适当选择腔室和喷嘴之间的接头，以平衡热通量，同时最大限度地减少系统总重量。虽然腔室使用铜合金来实现高导电性，但喷嘴由强度重量比更高的合金制成，通常是不锈钢或超级合金。NASA HR-1专为使用氢气作为推进剂的喷嘴应用而开发，具有耐氢性，否则会导致氢环境脆化 (HEE) 问题。用于增材制造应用的NASA HR-1材料经过专门配制，可在这种环境下实现高极限强度、屈服强度和伸长率，以及卓越的可焊性。LCF低循环疲劳也是喷嘴设计中的一个重要考虑因素，与锻造版本相比，LP-DED激光粉末定向能量沉积3D打印的HR-1合金的电导率也得到了提高，有助于喷嘴的性能。

图:显示了各种超级合金、不锈钢合金和 NASA HR-1 的氢脆指数 (HEI) 以及高温下的极限强度的比较图。

根据3D科学谷《深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件》一文，除了钛基或镍基合金，NASA的HR-1是用于高温操作环境下（例如液体火箭推力室的喷射器）的高强度合金，适用于多种3D打印-增材制造技术。该合金具有适用于高压氢环境的特性组合，包括耐腐蚀，同时保持了足够的强度和延展性。此外，NASA HR-1的高热导率和出色的低循环疲劳性能使该材料更适合这种恶劣的环境。

NASA HR-1 合金已成功应用于针对通道壁喷嘴的各种燃烧装置部件。LP-DED 工艺已显示出稳健性，可以生产带有整体冷却剂通道的大型结构以及用于锻造和铸造替代品的厚壁部件。可以改变各种3D打印的加工参数和相应的激光熔池以实现不同的特征。较低的功率允许通道壁喷嘴沉积 1 毫米厚的薄壁。较高的功率可提高较厚壁部件的沉积速率，这些部件通常是最终加工的且内部特征有限。NASA HR-1 合金制造的演示组件包括动力头半壳（即用于 RS-25 发动机的动力头）、喷嘴和腔室歧管、传输管、圆顶以及其他在氢气环境中使用的压力负载组件。LP-DED 激光粉末定向能量沉积3D打印工艺还用于构建直径 1.52 m、高度 1.78 m 的制造技术演示器 (MTD)，尺寸约为 65% 的 RS-25 通道壁喷嘴。

 极温耐火合金

由于材料成本高、专门的粉末生产方法以及独特的加工和连接方法，传统的难熔金属制造通常非常昂贵。由于高延性到脆性转变温度、超高温热处理、专门的氧化涂层和无损评估（NDE）要求，在成型零件时存在特定的困难，这也给耐火部件的制造带来了重大挑战。航空航天难熔金属零件往往是薄壁的，导致 95-98% 的坯料被机加工去除掉。因此，零件的原料成本为实际零件的 5%，95% 为加工废料。除了原料之外，机械加工和废物处理还增加了额外成本。

其他制造方法是基于沉积的，例如真空等离子喷涂、电沉积等，往往是缓慢且昂贵的工艺。它们通常需要在沉积后移除心轴，这限制了零件的复杂性。由于传统难熔金属制造的困难，拥有必要设备和经验的供应商数量有限。

增材制造耐火材料开发是一个快速发展的领域，主要采用 EB-PBF电子束熔融3D打印、L-PBF激光熔融3D打印、粘结剂喷射、EW-DED 电子束熔丝定向能量沉积和 LP-DED激光粉末床熔融3D打印工艺加工。在大多数情况下，这些方法可以显着节省成本和进度。C-103的AM就是一个例子。研究发现，即使考虑到粉末原料成本、打印时间、热处理、最终加工和废物处理，增材制造的C-103 零件的成本也明显低于传统 C-103 制造生产的相同零件。

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NASA 的AM C-103 开发是使用 L-PBF激光熔融3D打印工艺制造的，通过结合后处理达到的密度超过了建成时理论密度的 99.98%，并且在 HIP 后进一步增加。应力消除后没有明显的晶粒生长。机械性能测试表明其能够实现与锻造相当的性能，在某些情况下甚至高于锻造性能。

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根据3D科学谷《航空部件的稳健金属增材制造工艺选择和开发》一文，当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。显然，增材制造 (AM) 使得能够开发用于极端推进环境的新型合金，在这方面，美国国家航空航天局 (NASA) 拥有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，这些合金的材料特性、热火测试应用数据证明已经可用。结合《Advancement of extreme environment additively manufactured alloys for next generation space propulsion applications》论文，3D科学谷与谷友一起洞悉洞悉NASA的3D打印合金“家族”的3D打印工艺、集成计算材料工程（ICME）、及各种合金的性能。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009457652300334X

 增材制造工艺及开发

AM增材制造及相关步骤包括几个关键环节，包括零件和构建的设计和分析、AM-增材制造构建流程以及参数输入（包括原料和构建参数）、后处理以及最终在零件投入使用之前的验证和认证。后处理可能去除粉末、去除支撑、去除构建板、热处理（即应力消除、热等静压 (HIP)、固溶、老化等）、清洁、检查、CNC机械加工、抛光等。新型增材制造合金的成功开发整合了上述所有步骤。

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L-PBF 选区激光熔融金属3D打印工艺最常用于加工具有精细特征的组件，但总体构建体积有限。当前NASA的GRCop-42、GRCop-84、GRX-810、C-103 均采用 L-PBF，因为这些合金用于需要小特征分辨率的组件，例如燃烧室和喷射器。

NASA HR-1 材料制造的喷嘴测试

© NASA

另一种用于制造定制NASA 合金的主要增材制造工艺是DED定向能量沉积工艺，根据原料和能源（即激光、电子束、电弧）有多种变化。最常见的DED 方法是激光粉末定向能量沉积 (LP-DED)，可提供中等分辨率特征，但构建体积特别大。当前NASA HR-1 和 JBK-75 合金通过LP-DED激光粉末定向能量沉积工艺加工，从而能够建造大型整体通道壁火箭喷嘴。GRCop-42 和 C-103 也已使用LP-DED激光粉末定向能量沉积工艺加工，此外，GRX-810 LP-DED 的定向能量沉积3D打印开发计划已到位。

根据3D科学谷《NASA划时代的旋转爆震火箭发动机，如何化解极端要求下的三大技术挑战？》一文，燃烧室与喷管集成的关键技术挑战之一是开发双金属增材制造，双金属的开发集中在铜合金（特别是GRCop-42或GRCop-84）和高温合金的耦合上。双金属的开发集中在径向沉积上，第二个方面是燃烧室和喷管之间的轴向接头。轴向沉积发展的主要目标是表征和定义适当的界面所需的材料。

通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜腔室的后端沉积双金属材料，形成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管，并实现连续冷却，从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题，随后通过碳纤维聚合物基复合材料（PMC）外包装将整个推力室总成（TCA）进行外包装。

L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术加工的铜合金燃烧室与DED定向能量沉积3D打印的集成中存在一些挑战，例如，使用超级合金进行喷管焊接制备的最佳热处理（即均质化和固溶化）所需的温度要高于GRCop-42铜合金所能“容忍”的温度。这需要对材料特性产生一些影响。集成过程中遇到的其他挑战是操作顺序，其中复合材料护套的温度受到限制，大多数焊接和机加工操作必须在包裹前进行，以免造成损坏。

NASA在进行适当的风险管理的同时汲取了经验与教训。研发人员在GRCop-84铜合金推力室燃烧室的后端直接通过DED定向能量沉积3D打印技术加工JBK-75材料制造了燃烧室喷管。双金属接头是通过L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术加工的，研发人员尝试了各种将这些制造过程与复杂的接头相结合的可行性，吸取了一些教训，并对接缝进行一些重新设计，以提供足够的材料并避免过度加热。

为了解决散热问题，NASA与行业合作伙伴共同开发了薄壁通道的设计，通过DED定向能量沉积3D打印技术加工内部冷却通道。NASA积累了大量的经验以选择可能的设计选项，各种加工路径策略以及确定的过程几何形状限制。

每种增材制造工艺都有独特的属性，并非所有新型合金都可以使用所有增材制造工艺制造。增材制造制造工艺的选择对于成功生产零件以及充分实现增材制造带来的经济效益至关重要。如何选择不同的增材制造工艺需要考虑的因素包括零件整体尺寸、零件复杂性、特征分辨率、工艺经济性和可用性、工业成熟度、后处理以及冶金特性和性能。

 新型合金的 ICME 建模

集成计算材料工程（ICME）是一门变革性学科，它通过将材料信息与加工和性能相结合的计算方法实现快速材料开发。将 ICME 融入增材制造工作流程可带来诸多好处，例如增材制造加工合金从最初配方到开发再到飞行认证零件生产的快速成熟。

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ICME 方法正在得到广泛采用，这主要是由于材料开发成熟周期的缩短。NASA 正在利用此类方法开发具有最佳3D打印特性的新型合金，包括新型耐火合金的可打印性和氧化物弥散强化镍基合金的增强机械性能。根据3D科学谷《透过NASA开发的氧化物弥散强化中熵合金，看3D打印高温合金发展》一文，NASA开发了氧化物弥散强化介质中熵合金 (LEW-TOPS-151)。氧化钇颗粒分散在整个合金中，以使用一种新的制造技术最大限度地提高高温下的强度和抗蠕变性。NASA 的 ODS-MEA 可在高达 1100°C 的温度下保持性能，并且在暴露于极端温度时不易受到有害相变的影响，这是镍基高温合金如 Inconel-625 和 Inconel-718 普遍存在的问题。

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该技术采用声学混合器在金属基体粉末中搅拌纳米级氧化钇粉末，在较大的金属粉末颗粒周围形成一层氧化钇膜。然后通过选区激光熔化L-PBF金属3D打印技术对该材料进行加工，在此期间，激光将氧化钇颗粒分散在整个微结构中。最终，3D打印工艺消除了通过传统机械合金化生产 ODS 合金的昂贵且耗时的步骤。

NASA 的工艺已被证明可以制造在 1100°C 时蠕变断裂寿命提高 10 倍的组件，并且比目前使用 3D 打印部件的强度提高了 30%。新的 ODS-MEA 合金可以在目前使用 ODS 合金的地方找到应用（例如，那些涉及极端热环境的应用），包括用于发电、推进（火箭、喷气发动机等）、核能应用以及采矿和水泥生产行业的制备设备，燃气轮机部件（提高进气温度可提高效率）等等。

第二个例子涉及NASA通过L-PBF选区激光熔融金属3D打印技术生产的NiCoCr ODS 合金。根据3D科学谷《（二）更坚固的高温合金 l Nature上发表的NASA可耐高达1000度高温的GRX-810材料开发、微观结构与性能研究》一文，研究人员发现向 NiCoCr-ODS 中少量添加 Re 和 B 似乎略微提高了合金的强度。值得注意的是，与其他 ODS 合金相比，GRX-810 显示出更高的强度和延展性；事实上，与 NiCoCr（这项研究的起点）相比，GRX-810 提供了两倍的强度和三倍以上的延展性，使其成为一种更坚固的高温合金。

一个令人惊讶的结果是非 ODS GRX-810 的强度，尽管它的延展性有限（与非 ODS NiCoCr 合金相比），但它似乎与成品 GRX-810 的强度相当。这一发现表明强度的提高是由于基础成分，而氧化物是延展性提高的来源。

CALPHAD方法普遍认为是加速材料设计和开发的有用方法，CALPHAD类型的建模工具目前正被ICME从业者广泛使用。构建CALPHAD建模工具所需的两个支柱是软件和热力学数据库。如果模拟涉及扩散控制的动力学过程，原子迁移率数据库也很重要。从模拟中得出了一些值得注意的发现。很明显，添加 Mo通常可以稳定不需要的相（例如 σ、μ），而 Ti 与 Nb 的比例对于 MC 碳化物的稳定至关重要，尤其是在 1093 °C 时。之前为增材制造开发的 ODS 合金表明，晶界氧化在极限拉伸强度和延展性变化中发挥着重要作用。反过来，MC碳化物的目标是提高晶界强化和抗氧化性。模拟表明，这种新组合物在适印性、强度、抗氧化性和相/微观结构稳定性之间具有最佳平衡。

图 . 计算预测GRX-810 在 800–1500° C 范围内的相稳定性，预计在 810° C 以上不会形成有害相。

© NASA

上面的两个例子都提供了通过 ICME 方法实现的数千个虚拟实验的快照。而无需创建数百个新粉末批次、无需制造数千个样品。ICME材料开发技术正在慢慢应用于推进应用，未来仍然有巨大的机会将ICME融入下一代太空推进合金的开发周期。

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根据3D科学谷《航空部件的稳健金属增材制造工艺选择和开发》一文，当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。显然，增材制造 (AM) 使得能够开发用于极端推进环境的新型合金，在这方面，美国国家航空航天局 (NASA) 拥有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，这些合金的材料特性、热火测试应用数据证明已经可用。结合《Advancement of extreme environment additively manufactured alloys for next generation space propulsion applications》论文，3D科学谷与谷友一起洞悉洞悉NASA的3D打印合金“家族”的3D打印工艺、集成计算材料工程（ICME）、及各种合金的性能。

论文链接：

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 快速增长的增材制造合金需求

根据3D科学谷，航空增材制造需求的金属选择已扩大到包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和耐火合金。根据3D科学谷市场研究战略合作伙伴AMPower, 2022年全球增材制造金属材料的销量大约为6852吨（约9.5亿欧元），该市场有望以44%的年增长率在2027年达到4.2万吨（约30亿欧元），其中镍基高温合金年增长率约为37%，钛合金年增长率约为28%。

全球增材制造金属合金消耗量（含2027年预测）
© AMPower

 快速合金开发

美国国家航空航天局 (NASA) 多项工作的重点是通过材料表征和测试、标准开发、组件制造以及融入推进开发和飞行的应用及测试来进一步理解增材制造工艺。

GRCop 合金腔室的开发和热火测试。 A) 对GRCop-42 铜合金燃烧室进行循环热火测试，B) 抛光 GRCop-42 铜合金燃烧室，C) 通过 L-PBF激光选区金属熔融3D打印技术加工GRCop-42 铜燃烧室内衬和 通过LP-DED激光粉末定向能量沉积3D打印技术加工NASA HR-1的燃烧室外套。

© Acta Astronautica

增材制造可以实现快速合金开发，并且可以使用 ICME 集成计算材料工程开发优化的合金，从而产生更高的性能。这些合金经过了建模、基本冶金评估、热处理研究、详细的微观结构表征和机械测试活动。NASA 通过详细的增材制造工艺和热处理表征以及机械和热物理测试，使常用航空航天合金的各种系列（镍、铜、不锈钢和钢、铝和钛基）在增材制造领域的应用变得成熟。虽然这些合金被积极用于许多推进应用，但仍需要通过集成计算材料工程 (ICME) 和高性能应用的工艺开发来持续进行增材制造合金优化。

© 3D科学谷白皮书

最终用途的航空航天应用材料选择对于组件成功完成太空任务至关重要。除了满足质量、经济性和可接受的风险等程序和系统要求之外，航空航天推进组件还面临着独特的挑战，因为最终使用环境要求严格。推进部件通常在设计时尽量减少重量，因此全面了解材料在预期操作条件和环境下的行为至关重要。虽然推进部件使用多种材料，但它们通常来自合金系列，包括铝基、不锈钢、钛基、镍基和铁基高温合金、铜基、难熔合金和铂基合金。

© 3D科学谷白皮书

现代液体火箭发动机的运行环境十分严酷，其中腔室温度可能超过 3300 °C，腔室和冷却剂压力超过 410 bar，恶劣的腔室条件和薄热壁相结合，导致整个壁的热梯度通常超过 230 °C，从而产生高热应力。除了要求高性能的拉伸和疲劳性能之外，断裂韧性也至关重要，根据环境的不同，可能还需要满足耐腐蚀和耐磨性。其他环境因素，例如辐射、原子氧、紫外线或等离子体，也可能对材料所需的性能提出额外的要求。因此，操作环境决定了合金所需的性能，这些特性源自工艺-微观结构-特性之间的相互关联性。

 特殊用途合金开发

增材制造的航空航天应用始于有限的常用合金——例如 Ti6Al4V、AlSi10Mg、Inconel 625、Inconel 718、CoCr 和316 L不锈钢，NASA 拥有先进的增材制造合金，可满足铜、铁镍、高温合金（即 ODS）和耐火材料等合金系列的最终使用环境，这些合金包括 GRCop-42和 GRCop-84 、NASA HR-1(Fe–Ni–Cr)、JBK-75 (Fe–Ni–Cr)、GRX-810 (NiCoCr)、C-103 (Nb-10 wt%、Hf-1wt.%、Ti)、钨 (W)、 和钼。氧化物弥散强化 (ODS) 类别通过使用氧化钇 (Y2O3)、氧化锆 (ZrO2) 或氧化钍 (ThO2) 等纳米级氧化物来提高合金强度并改进蠕变性能。

表 1. 为推进部件的不同用途而开发的特种增材制造合金。

© Acta Astronautica

其中几种合金源于传统技术，但由于锻造形式生产的挑战或经济原因而没有得到改进。事实上，NASA HR-1 等合金是采用锻造和传统工艺开发的，然后被搁置了15 年。增材制造重新燃起了开发人员对以前难以加工合金的开发兴趣。通过增材制造的合金填补了液体火箭发动机环境所需材料的多个空白，包括耐氢、高压环境、极端温度、抗蠕变性及其组合。

根据3D科学谷《航空航天制造业常见的3D打印合金特性、加工特点及加工挑战》一文，AM-增材制造为高复杂性组件提供了大批量航空航天生产，否则传统制造技术无法实现。虽然在主要的航空航天公司和许多初创企业中存在许多示例，但 L-PBF 选区激光金属熔融3D打印是目前中最主要的工艺，其次是 DED（包括丁 LW-DED 和 LP-DED）。下一期，将重点介绍NASA使用的增材制造工艺以及 ICME 集成计算材料工程合金开发方法。

原始参考文献：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009457652300334X

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热物理特征研究
@NASA

 建立工艺能力与设计指南

当前，由于 L-PBF 选区激光熔化金属3D打印加工参数和由此产生的微观结构并不具备一定的可复制性，不能很好地“移植”到生产环境，因此了解多台机器和粉末化学成分之间的变化对于实现高度监管行业的工业3D打印应用至关重要。因此，NASA此项研究的重点是热物理性质的变化，这些变化可用于建立工艺能力和设计指南，以进行持续的商业用途和进一步的研究。

GRCop-84 和 GRCop-42这些合金的基体几乎是纯铜，因此具有导电性和导热性，旨在实现火箭发动机燃烧室衬里的再生冷却。特别是 GRCop-84，可以提供针对 500–800 °C 优化的微观结构稳定性、抗蠕变性、良好的导热性、良好的低循环疲劳寿命和高拉伸强度。

GRCop-84铜衬里
@3D科学谷白皮书

问题是，由于大多数材料在加热时都会膨胀，这种热膨胀会给火箭发动机衬套带来故障问题：

热引起的应力：衬里通常受到保持相对凉爽的高强度护套的约束。衬里不能自由膨胀，热膨胀会产生热感应应力。

这些热应力导致材料永久变形，从而永久改变衬里的形状。这可能包括所谓的“狗窝”效应，它可能导致冷却通道内的热壁失效。

低循环疲劳 (LCF)：燃烧室衬里反复循环以进行鉴定或运行。衬里将因热膨胀而局部承受超过 1% 的重复应变。这是造成衬管故障的主要原因之一

为了实现所需的微观结构、热物理性能和机械性能，GRCop 合金在凝固过程中需要高冷却速率。

 热导率和热膨胀测试

在这项研究中，GRCop-42 和 GRCop-84 铜合金特征试验品由八个不同的供应商利用激光粉床熔融 (L-PBF) 3D打印工艺生产。每个供应商都采用其特定的 L-PBF 激光粉床熔融设备以及略有不同的加工参数（通常被认为是专有的）来制造试验品。在 25–700°C 的温度范围内建立了方程来预测热导率，并在 20–1000°C 的温度范围内建立了 CTE热膨胀系数测试（平均和瞬时）。

对于不同的粉末源和不同的L-PBF系统/参数，GRCop热导率的变化高达平均值的±4％左右， 这些微小的变化可以部分地由合金元素含量的差异来解释。

平均CTE热膨胀系数和瞬时CTE热膨胀系数的结果均显示样品之间具有极好的一致性，并且值的变化非常小，基于这些结果，可以得出结论无论起始粉末、参数或机器如何，增材制造的GRCop-42 和 GRCop-84 的热膨胀性能都具有出色的再现性。

结果表明，通过激光粉床熔融 (L-PBF) 3D打印工艺生产的GRCop-42 和GRCop-84 铜合金的热物理性能表现出高度可重复的结果，与加工参数、粉末原料差异和机器类型无关。这意味着零件内部和零件之间的一致性，并使设计人员更有信心在3D打印制造过程中提高可靠性并降低风险。

@NASA

GRCop-42 样品的热导率表现出 ±?4% 的变化，样品之间的这种额外变化可能与溶解在铜基质中的溶质原子的量有关。虽然没有发现明确的相关性，但事实证明这些因素可能是重要因素。需要采用全面的原子尺度和微观尺度研究，以充分阐明热导率的变化。

对于AM增材制造的GRCop-42 和 GRCop-84 样品，热膨胀行为在统计上存在显着差异，但每种合金的热膨胀行为是一致的。大部分的热膨胀较低，这将带来较低的热致应力、较少的热应变将带来较低的故障率。

重要的是要认识到，虽然激光粉床熔融 (L-PBF) 3D打印工艺制造的零件可以在受控实验室环境中成功构建，但到生产环境的转换并不总是无缝的。许多机器和粉末批次之间存在差异，因此需要全面了解彼此独立运营的多个供应商之间的性能差异。整个商业供应链的可重复性和再现性对于设计师来说至关重要，旨在确保零件符合预期的性能和操作要求。

具体来说，热导率和热膨胀的考虑在3D打印设计过程中显得至关重要。通过利用热性能变化的知识，可以建立工艺能力和设计指南，以促进持续的商业利用和进一步的研究工作。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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NASA太空非晶金属制造 (FAMIS)研究
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金属玻璃应用
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 “玻璃之王”

非晶态金属（金属玻璃）又称非晶态合金， 它既有金属和玻璃的优点， 又克服了它们各自的弊病．如玻璃易碎， 没有延展性．金属玻璃的强度高于钢， 硬度超过高硬工具钢， 且具有一定的韧性和刚性， 所以， 人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。

根据3D科学谷的市场观察，2022 年初，由美国宇航局NASA位于南加州的喷气推进实验室领导的冷可操作月球可展开臂 (COLDArm) 项目成功地将特殊齿轮集成到机械臂的部件中，该机械臂计划在未来几年投入到月球任务中。

这些大块金属玻璃 (BMG) 齿轮集成到 COLDArm 的关节和执行器中，是通过改变游戏规则的开发大块金属玻璃（非晶态合金）齿轮项目开发的，可在低于华氏 280 度（负173摄氏度）的极端温度下运行。

根据3D科学谷《金属玻璃齿轮集成到关节中，3D打印成就更好的NASA月球任务机器人》一文，据悉， NASA的COLDArm 项目中的机器人关节和执行器中的金属玻璃齿轮合金具有无序的原子级结构，使其既坚固又富有弹性，足以承受这些异常低温。典型的齿轮箱需要加热才能在这样的低温下运行。BMG 齿轮电机已经过测试并在大约 -279 华氏度（-173 摄氏度）下成功运行，无需加热辅助。这种齿轮电机是使机械臂能够在极冷环境中运行的关键技术之一，例如在月球夜晚。

而NASA的决心并非仅仅在地球上处理这样的金属玻璃，NASA太空非晶金属制造 (FAMIS)研究结果可以支持开发用于太空和地球应用的新一代齿轮和涂层元件。

 钨基相的沉降与扩散研究

NASA的太空非晶金属制造 (FAMIS) 研究样品包含在样品盒组件 (SCA) 中，并在材料科学实验室 (MSL) 中安装的低梯度炉 (LGF) 中进行全面处理。一旦 FAMIS SCA 登上国际空间站，机组人员就会将它们一一安装在 LGF 中，并在 1200°C 的温度下进行处理。调查和设施数据（例如温度、压力、功率等）由操作和实验团队在地面进行实时下行和监控。返回地球后，SCA样品盒组件被拆卸，调查样本将由调查人员进行分析。

NASA太空非晶金属制造 (FAMIS)研究
© NASA

l 实验说明

太空非晶金属制造 (MSL SCA-FAMIS) 研究的目标是对两种基于锆铌铜镍铝 (ZrNbCuNiAl) 和钨球增强铜锆铝钴 (CuZrAlCo) 的金属玻璃形成合金进行半固态固持。主要科学目标是研究在存在和不存在重力驱动沉降的情况下金属玻璃合金中钨基相的扩散和再沉淀。样品安装在国际空间站 (ISS) 材料科学实验室 (MSL) 的低梯度炉中进行处理。

l 空间应用

这项研究可能会导致新型金属合金的开发，用于齿轮、轴承、耐磨涂层以及航天器和机器人的其他元件，支持未来的太空探索任务。

l 地球应用

研究结果可以为地球上的齿轮和涂层等结构应用提供性能改进的新型金属合金。

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