(一）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”

|3DScienceValley· 2023/08/09

根据《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，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

快速增长的增材制造合金需求

根据，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。

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。

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。

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。

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《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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