NASA開發新的航天級3D打印銅合金粉末

NASA（美國國家航空航天局）的研究人員開發了一種新的3D打印銅合金材料，并通過該材料和選區激光熔化3D打印設備制造了一種火箭推進部件。

這一新材料是GRCop-42，它是一種高強度，高導電率的銅基合金，由NASA 馬歇爾太空飛行中心（MSFC）和俄亥俄州的美國宇航局格倫研究中心（GRC）的團隊創建。

高導熱性、蠕變性和高溫強度

GRCop-42 銅合金粉末可用于生產近乎完全密集的3D打印部件，如火箭燃燒室內襯和燃料噴射器面板。

GRCop-42 3D打印銅合金粉末還有一個“前身“-GRCop-84。根據3D科學谷的市場觀察，NASA 從2014年開始開發這種用于制造火箭燃燒室的GRCop-84 3D打印銅合金粉末。

繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對3D打印的GRCop-84組件進行熱火試驗后，該團隊開始開發GRCop-42。NASA 希望通過該材料具有與GRCop-84相似強度，但具有更高導熱率。NASA 研究人員表示，通過該材料制造的增材制造發動機燃燒室組件將“超過傳統方式制造的上一代產品”。

整個2018年，NASA團隊對GRCop-42 金屬粉末進行了測試，通過選區激光熔化3D打印技術證明了其可加工性。這類增材制造設備此前被用于制造GRCop-84 銅合金粉末材料。

NASA研究團隊在測試過程中使用Concept Laser M2 金屬增材制造系統制造了25個小組件，打印層厚為之前制造GRCop-84材料時的50%（0.045mm）。

研究人員觀察到，用GRCop-42 材料3D打印的組件冷卻得更快。NASA研究人員通過熱等靜壓機（HIP）進行后處理，從而降低金屬孔隙率，然后將組件送至格倫研究中心進行其他后處理和室溫拉伸測試。

NASA 測試結果發現，由GRCop-42制成的3D打印金屬部件表現出高導熱性，優異的蠕變（變形）性和高溫強度。

NASA團隊預計將通過構建更大的3D打印組件，來測試GRCop-42 銅合金粉末的參數集。

3D科學谷Review

銅是一種導熱性和反射性*的材料，這一屬性也使選區激光熔化技術在進行銅合金零件增材制造時充滿挑戰。銅金屬在激光熔化的過程吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制。

根據3D科學谷的市場觀察，多家火箭制造企業在開發銅合金3D打印工藝，并通過這一技術制造功能集成的火箭發動機部件。

Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領域取得的突破，為制造新一代RL10發動機帶來了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統工藝制造的，由多個不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個銅合金零件構成。

相比傳統的制造工藝，選區激光熔化3D打印技術為推力室的設計帶來了更高的自由度，使設計師可以嘗試具有更高熱傳導能力的先進結構。而增強的熱傳導能力使得火箭發動機的設計更加緊湊和輕量化，這正是火箭發射技術所需要的。

從事小型火箭制造與發射的航天初創企業Launcher 也測試了銅合金火箭發動機部件。Launcher去年以來一直致力于開發概念驗證發動機E-1 ，這是一種3D打印銅合金（Cucrzr）發動機部件，集成了復雜冷卻通道，這一設計將使發動機冷卻效率得到提升。

NASA在2015年取得了銅合金部件3D打印方面獲得進展，制造技術也是選區激光熔化3D打印，打印材料為GRCo-84銅合金。NASA用這項技術制造的3D打印零件為火箭燃燒室襯里，該部件總共被分為8,255層，進行逐層打印，打印時間為10天零18個小時。

這個銅合金燃燒室零部件內外壁之間具有200多個復雜的通道，制造這些微小的、具有復雜幾何形狀的內部通道，即使對增材制造技術來說也是一大挑戰。部件打印完成后，NASA的研究人員使用電子束自由制造設備為其涂覆一層含鎳的超合金。NASA的*終目標是要是要使火箭發動機零部件的制造速度大幅提升，同時至少降低50%的制造成本。

根據3D科學谷的市場研究，國內金屬3D打印企業鉑力特已在銅金屬激光成形領域取得了進展，研制出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D打印工藝，實現了復雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。

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