采用3D打印制造火箭發(fā)動(dòng)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(shì)，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(shí)帶來成本的降低。在這個(gè)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(duì)一種火箭推進(jìn)部件用新合金的開發(fā)備忘錄。

▌項(xiàng)目背景

2014-2017年，來自馬歇爾航天飛行中心（MSFC）、美國(guó)宇航局格倫研究中心（GRC）和蘭利研究中心的團(tuán)隊(duì)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(dòng)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(yàn)。該項(xiàng)目的另一個(gè)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(dòng)機(jī)的性能可以進(jìn)一步得到提高。

2015年，NASA 3D打印首個(gè)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(shí)際上比GRCOP-84更容易加工，因?yàn)楫?dāng)銅熔化時(shí)，Cr和Nb反應(yīng)非常迅速，Cr2Nb會(huì)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(shí)證明，以這種速度構(gòu)建較大的組件非常耗時(shí)，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(dòng)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(shí)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(duì)42個(gè)參數(shù)進(jìn)行了初步試驗(yàn)，建立了不同工藝組合的25個(gè)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(cè)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小（見表B欄和C欄）。

GRCop-42邊界參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)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(gè)樣塊進(jìn)行破壞性顯微鏡檢測(cè)，對(duì)YZ平面使用圖像分析軟件確定每個(gè)樣本中孔隙的平均孔徑和平均孔隙度，在Excel中計(jì)算圓形等效直徑，并將這些值繪制在與參數(shù)對(duì)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(gè)樣塊中。然后進(jìn)行機(jī)械測(cè)試件的打印，測(cè)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(duì)功率與掃描速度以及構(gòu)建板上每個(gè)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(cè)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(yàn)。測(cè)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(yàn)。無論每個(gè)試樣的制造質(zhì)量如何，測(cè)試過程都要保證快速和一致性。

機(jī)械測(cè)試樣件分布圖

上圖顯示了構(gòu)建板上的樣件布局。20個(gè)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(gè)標(biāo)本中，有2個(gè)（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(gè)（紅色）的拉伸強(qiáng)度僅有180MPa和197MPa，幾乎沒有延伸；最后一個(gè)（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(xiàng)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(cè)試也顯示出預(yù)測(cè)力學(xué)性能的良好效果，對(duì)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(diǎn)，幾乎節(jié)省了一周的時(shí)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(huì)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(duì)確定的參數(shù)集進(jìn)行廣泛的測(cè)試，同時(shí)需要對(duì)不同批次的粉末進(jìn)行研究，排除外在因素的影響。