Part4: 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

增材制造（AM）为具有复杂内部特征的精密部件（例如以前不可能通过传统工艺加工出来的带复杂冷却流道的液体火箭发动机推力室）带来了重大的设计和制造机会。

除了减轻重量并实现性能优化外，3D打印技术还可以显着节省成本并缩短制造周期。本期，3D科学谷针对美国NASA宇航局正在开发的一个名为“快速分析和制造推进技术”（RAMPT）的项目，分次(本文为第四篇Part4),与谷友共同深度了解NASA在双金属3D打印方面的探索。（点击打开3D科学谷独家发布的前三篇文章Part1,Part2,Part3)

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双金属的条条大路

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。尽管双金属的开发在LCUSP项目中得到了验证，但仍需要进一步开发以进一步评估替代方案并开发商业供应链。

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。

▲喷管与燃烧室的耦合。A）带DED技术加工的双金属接头的GRCop铜合金燃烧室，B）耦合喷管与燃烧室DED工艺，C）完成耦合的喷管与燃烧室，D）用于热火测试的2K-lbf推力的喷管与燃烧室组合 。

来源：NASA

NASA正在评估使用GRCop合金和高温合金进行双金属沉积的几种技术。这些技术包括冷喷涂，送粉的DED定向能量沉积和熔丝的的DED定向能量沉积技术。这些技术都具有不同的优点和缺点，必须针对特定的推力室应用和后处理要求来考量这些特性，以确定最佳工艺。

▲双金属的几种增材制造工艺

来源：3D科学谷 www.3dsciencevalley.com

之前在LCUSP项目中通过对双金属接头的分析表明，在界面处形成有害稳定性的金属间化合物，RAMPT项目在此基础上进行研究以减轻这些影响。通过仿真以预测高温下形成的界面处的金属间化合物， GRCop和高温合金界面处有害金属间化合物的模型预测需要研究各种中间层材料。

/ 冷喷涂

冷喷涂通过压缩的高速超声波气体将未熔化的粉末加速到基材上，材料发生变形并通过动能冲击时堆积在表面上，形成与固体材料的结合。冷喷涂机理是机械互锁和冶金的结合，这些结合是由于在高应变的颗粒界面上发生的再结晶而造成的。冷喷涂之所以具有优势，是因为它不会熔化材料，因此与其他工艺相比，降低了产生热残余应力，金属间化合物形成，氧化和热量输入变形的可能性。

冷喷涂技术于热喷涂方法不同，涂层气孔率很低，基体材料和涂层的热负荷很小，材料氧化少，消除了涂层中结晶化不均匀的现象。根据3D科学谷的市场了解除了不需要焊接或机加工就能制造全新零件以外，冷喷技术令人兴奋之处在于，它能够将修复材料与零件融为一体，完美恢复零件原有的功能和属性。这样就能有效延长零件使用寿命几年，甚至几十年。

用于加速粉末的高压载气也可以根据某些应用的需要进行预热，RAMPT项目计划进行进一步的实验，调整了源粉，冷喷涂和制备参数，以实现纯粹的优化界面，表面和堆积特征。

▲在PBF增材制造技术加工出来的铜合金燃烧室表面冷喷涂NASA HR-1和镍的早期试验

来源：NASA

/ 送粉的DED定向能量沉积工艺

送粉的DED定向能量沉积工艺对于加工双金属具有优势，通过集成通道喷嘴提供了最小化设置和操作的机会。尽管此过程的热量确实较高，并且可能会发生变形。此外，送粉的DED定向能量沉积工艺的粉末使用效率不是100％有效，过喷的粉末可能会滞留在通道中，不过早期的开发表明这并不是一个重大问题。

最初的实验已成功地通过送粉的DED定向能量沉积工艺将多种高温合金与GRCop铜合金进行了混合。NASA计划进行进一步的实验，以通过材料测试和表征来进行全面评估。

▲显示了一些有无中间界面材料的初步开发试验:（左）DED技术沉积IN625材料在GRCop-42合金（PDF技术加工）基板上。（右）DED技术沉积CuNi金属间化合物在GRCop-42合金（PDF技术加工）基板上。[由RPM Innovations制造]

来源：NASA

/ 激光熔丝工艺

激光熔丝工艺通过焊丝进给，其中将焊丝预热到刚好低于熔点的高温，然后送入由激光产生的基板或部件上的熔池区域。与送粉的DED定向能量沉积工艺相比，熔丝工艺具有减少变形的优点，但仍会给零件带来热应力。此外，激光熔丝工艺可在增材制造应用中实现高沉积速率，保持低稀释度，热稳定性和常规冶金控制。早期的实验已经成功地通过激光热线将各种超级合金加入了GRCop铜合金当中，并对其进行了机械测试。

▲显示了（左）将IN625激光热焊到GRCop-84铜合金基板上。（右）将Techalloy-99金属间化合物激光热焊焊接到GRCop-84铜合金(PBF技术制造）基板上。[由林肯电气控股有限公司制造。]

来源：NASA

最初的双金属表征是通过对GRCop-84与超级合金接头进行微拉伸试验进行的。双金属界面的进一步开发正在进行中，以确定一种最佳的增材制造技术，中间层和热处理技术。

▲显示了（左）激光熔丝丝IN625 / Techalloy 99 与GRCop-84结合的微拉伸数据（右）DED 送粉的定向能量沉积技术沉积JBK-75 / L-PBF IN625 与GRCop-84结合的微拉伸数据。

来源：NASA

在最初的双金属开发之后，完成了进一步的评估，通过Inconel 625与铜燃烧室相耦合，该燃烧室观察到了收缩，尽管这不是RAMPT项目的最终目标，但它为双金属开发提供了中间步骤。

▲显示了双金属腔室覆层。（左）40K-lbf 推力的PBF技术制造的GRCop-42燃烧室，

B）在应用送粉的定向能量沉积DED技术加工Inconel 625护套之后的燃烧室。[DM3D制造]

来源：NASA

关键里程碑

总体来说，RAMPT项目正在取得重大进展，并计划在2020年和2021年进行更多的测试计划，以及配套的硬件开发。已经实现了几个关键的里程碑，包括之前显示的大进给送粉的DED喷嘴。正在进行三个阶段的硬件构建和测试，这些将在不同尺寸和推力水平（2K-lbf，7K-lbf，40K-lbf）的推力室上取得进展。

▲显示了NASA HR-1材料通过送粉的DED定向能量沉积技术制造的推力室喷管，A)B）2K-lbf推力（B为抛光后），C)40K-lbf（焊接前），D)7K-lbf(抛光前）

来源：NASA

目前在2K-lbf推力的推力室上完成了双金属开发，并正在积极地应用到7K-lbf，40K-lbf的推力室制造。正在取得重大进展，并计划在2020年和2021年进行更多的测试计划，以及配套的硬件开发。NASA已开发的仿真模型可建议制造策略以控制制造过程中的变形。

参考来源：Lightweight Thrust Chamber Assemblies using Multi- Alloy Additive Manufacturing and Composite Overwrap/2020 AIAA Propulsion and Energy Forum

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3D打印与第四次工业革命

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《铜金属3D打印白皮书1.0》

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