(二）增材制造工艺及集成计算材料工程（ICME） l 一文洞悉NASA的3D打印合金“家族”

| 3DScienceValley · 2023/08/17

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。

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

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。

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。

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。