采用3D打印制造火箭發動機部件已經被業內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勢，3D打印可以減少部件的總數量并能釋放火箭的容量，同時帶來成本的降低。在這個過程中，材料及其安全可靠的打印工藝是極其重要的。本期，3D打印技術參考帶來NASA對一種火箭推進部件用新合金的開發備忘錄。

▌項目背景

2014-2017年，來自馬歇爾航天飛行中心（MSFC）、美國宇航局格倫研究中心（GRC）和蘭利研究中心的團隊完成了GRCOP-84（Cu-8%Cr-4 %Nb）銅合金SLM工藝開發，并利用其進行了液氧甲烷發動機燃燒室的低成本制造。2016-2017年，MSFC進行了幾次成功的高溫試驗。該項目的另一個里程碑是發布了GRCOP-84的成分數據，其目的是可以獲得更多的粉末供應商以及3D打印服務商。下一步的開發工作自然指向了GRCOP-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）銅合金，這是一種相比前者具有相似強度但可以提供更高熱導率的新材料，這使得發動機的性能可以進一步得到提高。

2015年，NASA 3D打印首個全尺寸GRCOP-84

銅合金燃燒室

GRCOP-42粉末此前難以生產，但參與GRCOP-84制造的粉末供應商現在已經準備好進入這種類似合金的生產開發。較低的Cr和Nb含量實際上比GRCOP-84更容易加工，因為當銅熔化時，Cr和Nb反應非常迅速，Cr2Nb會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粉末的尺寸規格為0–44μm。

▌開發過程

GRCop-42的3D打印工藝開發是基于Concept Laser M2完成的，選擇該設備的主要原因是，它曾被用于GRCOP-84開發，具有一定的“銅友好性”，400 W的激光功率可以很容易地達到完全熔化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，但事實證明，以這種速度構建較大的組件非常耗時，基本上275毫米高的部件需要28天才能完成打印。在GRCop-42的開發過程中，人們希望它能以更快的速度進行打印，并可以擴展到更大成型尺寸的設備，以生產更高推力的發動機。GRCop-42的高導電率意味著可以使用更低的能量，在較厚的粉層上實現穩定的熔池，調試工作最終以0.045 mm的分層厚度開始。

M2打印機參數表

在2018年初，研究人員對42個參數進行了初步試驗，建立了不同工藝組合的25個小塊。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，最低能量密度相當于GRCop-84的一半。據推斷，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

在實驗過程中發現，較高能量密度條件下樣品存在過熔現象，零件周圍的粉末迅速吸收熱量。將25個樣塊進行破壞性顯微鏡檢測，對YZ平面使用圖像分析軟件確定每個樣本中孔隙的平均孔徑和平均孔隙度，在Excel中計算圓形等效直徑，并將這些值繪制在與參數對齊的顏色圖上。

孔隙度圖譜 : (a)總孔隙度(%), (b)平均孔徑(μm)

在所有數據中心找出平均孔徑小于15μm，密度大于98%的參數集，這些參數隨機分布在構建板的25個樣塊中。然后進行機械測試件的打印，測試件直徑為13 mm，Z方向高度為100 mm，每種參數均使用不同參數打印。研究人員對功率與掃描速度以及構建板上每個試樣的位置進行了標注，左上為NW，右上為NE，左下為SW，右下為SE，其中“O”為中心樣本。

▌后處理與機械測試

打印完的樣品遵循GRCOP-84的標準處理工藝進行熱等靜壓，然后進行機加工和室溫拉伸試驗。測試件被加工成ASTM E8型圓形拉伸試樣，然后按照相關標準進行拉伸試驗。無論每個試樣的制造質量如何，測試過程都要保證快速和一致性。

機械測試樣件分布圖

上圖顯示了構建板上的樣件布局。20個綠色試樣的極限拉伸強度（utss）范圍很窄，僅從339MPa到356MPa不等，延伸率大于20%。在剩下的5個標本中，有2個（黃色）的拉伸強度與大多數樣件類似，但延伸率僅有12%和15%；另外兩個（紅色）的拉伸強度僅有180MPa和197MPa，幾乎沒有延伸；最后一個（藍色）的拉伸強度最高，達到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樣本并未進行熱等靜壓處理，這也解釋了它非常高的強度和較低的延展性。

END

這項研究發現，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行初始參數測試也顯示出預測力學性能的良好效果，對延伸率的影響尤其明顯。采用優化的新工藝，3D打印速度提升越20%，原來28天才能完成打印的部件現在僅需要22天多一點，幾乎節省了一周的時間。

然而這并不意味著這已經是最優的工藝，更高的功率往往會導致孔隙增多，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。研究人員仍需要對確定的參數集進行廣泛的測試，同時需要對不同批次的粉末進行研究，排除外在因素的影響。