Part3：深度剖析NASA採用多合金增材製造和複合材料實現輕質可重複使用的推力室組件

增材製造（AM）為具有複雜內部特徵的精密部件（例如以前不可能通過傳統工藝加工出來的帶複雜冷卻流道的液體火箭發動機推力室）帶來了重大的設計和製造機會。

除了減輕重量並實現性能優化外，3D列印技術還可以顯著節省成本並縮短製造周期。本期，3D科學谷針對美國NASA宇航局正在開發的一個名為「快速分析和製造推進技術」（RAMPT）的項目，分次(本文為第三篇Part3),與谷友共同深度了解NASA在材料開發方面的嘗試，以及兩種不同的金屬3D列印工藝集成的嘗試及所遇到的挑戰。（點擊打開前兩篇Part1,Part2)

挑戰的多重性

核心發力

RAMPT項目的一大核心是銅合金的3D列印實現了足夠的成熟度。如今NASA在GRCop-42銅合金的基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術方面具備了足夠的成熟度，並通過了熱火測試。幾家美國國內供應商已使用L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術開發了製造參數，並能夠製造目前最大直徑為15.6英寸（400毫米）的零件。

GRCop合金的成熟度是RAMPT的核心技術，GRCop-42在L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術方面的成熟還使得允許進一步開發多合金沉積工藝，從而為徑向和軸向沉積或熔覆提供探索基礎。

用GRCop-42通過L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術製造的各種推力級燃燒室已經完成，這些燃燒室是由各種供應商製造的，隨著粉末研發和製造供應鏈的發展，目前GRCop銅合金的金屬3D列印製造流程改善了粉末去除和後處理方面的許多先前挑戰。RAMPT還嘗試了幾種新的設計，事實證明新設計可以成功地提供了額外的性能優勢。

GRCop-84銅合金通過基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術所製造的燃燒室。來源：NASA

挑戰-燃燒室與噴管的耦合

L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術加工的銅合金燃燒室與DED定向能量沉積3D列印的集成中存在一些挑戰，例如，使用超級合金進行噴管焊接製備的最佳熱處理（即均質化和固溶化）所需的溫度要高於GRCop-42銅合金所能「容忍」的溫度。這需要對材料特性產生一些影響。集成過程中遇到的其他挑戰是操作順序，其中複合材料護套的溫度受到限制，大多數焊接和機加工操作必須在包裹前進行，以免造成損壞。NASA在進行適當的風險管理的同時汲取了經驗與教訓。

研發人員在GRCop-84銅合金推力室燃燒室的後端直接通過DED定向能量沉積3D列印技術加工JBK-75材料製造了燃燒室噴管。雙金屬接頭是通過L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術加工的，研發人員嘗試了各種將這些製造過程與複雜的接頭相結合的可行性，吸取了一些教訓，並對接縫進行一些重新設計，以提供足夠的材料並避免過度加熱。

研發人員著手開發了耦合的雙金屬推力室組件，在圖中可以看到這種硬體，這種設計在噴管和燃燒室中加入了連續的冷卻通道，並消除了接頭處的歧管，該項目還在繼續開發和製造7K-lbf和40K-lbf更大尺寸的推力室噴管和銅合金推力室燃燒室耦合。

GRCop-84銅合金燃燒室（L-PBF技術所製造）與噴管（DED技術所製造）的耦合。來源：NASA

進化，推動邊界擴展與躍升

DED的進化

DED定向能量沉積3D列印技術用來製造推力室噴管的優勢在於沉積速率和可擴展性，然而這些屬性都需要進行大量改進，才能證明其被大規模應用來製造噴管通道壁的前景。此外，儘管NASA目前所使用的DED定向能量沉積3D列印技術無法L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術的所實現的精度相競爭，但它已展示出構建燃燒室噴管應用所需的內冷通道的構建能力。

DED定向能量沉積3D列印技術通過同軸送粉或多噴嘴沉積頭，將粉末與惰性載氣一起注入到零件的熔池中。熔池是由中央雷射能量源產生的，通過惰性氣體的保護以最大程度地減少加工過程中金屬的氧化。

DED技術加工集成冷卻流道的推力室噴管。來源：NASA

NASA與行業合作夥伴共同開發了薄壁通道的設計。在圖中可以看到DED定向能量沉積3D列印技術加工的一些通道示例。這些通道演示了可能的設計選項，各種加工路徑策略以及確定的過程幾何形狀限制。