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NASA 开发新的航天级3D打印铜合金粉末

2019-5-13 9:22:47 点击:

    NASA(美国国家航空航天局)的研究人员开发了一种新的3D打印铜合金材料,并通过该材料和选区激光熔化3D打印设备制造了一种火箭推进部件。这一新材料是GRCop-42,它是一种高强度,高导电率的铜基合金,由NASA 马歇尔太空飞行中心(MSFC)和俄亥俄州的美国宇航局格伦研究中心(GRC)的团队创建。

图:NASA 马歇尔太空飞行中心进行3D打印喷嘴的热火试验。 来源:NASA / MSFC

高导热性蠕变性和高温强度

      GRCop-42 铜合金粉末可用于生产近乎完全密集的3D打印部件,如火箭燃烧室内衬和燃料喷射器面板。GRCop-42 3D打印铜合金粉末还有一个“前身“-GRCop-84。根据3D科学谷的市场观察,NASA 从2014年开始开发这种用于制造火箭燃烧室的GRCop-84 3D打印铜合金粉末。

       继2016年和2017年,NASA 在马歇尔太空飞行中心对3D打印的GRCop-84组件进行热火试验后,该团队开始开发GRCop-42。NASA 希望通过该材料具有与GRCop-84相似强度,但具有更高导热率。NASA 研究人员表示,通过该材料制造的增材制造发动机燃烧室组件将“超过传统方式制造的上一代产品”。

整个2018年,NASA团队对GRCop-42 金属粉末进行了测试,通过选区激光熔化3D打印技术证明了其可加工性。这类增材制造设备此前被用于制造GRCop-84 铜合金粉末材料。

       NASA研究团队在测试过程中使用Concept Laser M2 金属增材制造系统制造了25个小组件,打印层厚为之前制造GRCop-84材料时的50%(0.045mm)。

研究人员观察到,用GRCop-42 材料3D打印的组件冷却得更快。NASA研究人员通过热等静压机(HIP)进行后处理,从而降低金属孔隙率,然后将组件送至格伦研究中心进行其他后处理和室温拉伸测试。

      NASA 测试结果发现,由GRCop-42制成的3D打印金属部件表现出高导热性,优异的蠕变(变形)性和高温强度。NASA团队预计将通过构建更大的3D打印组件,来测试GRCop-42 铜合金粉末的参数集。

Review

      铜是一种导热性和反射性极佳的材料,这一属性也使选区激光熔化技术在进行铜合金零件增材制造时充满挑战。铜金属在激光熔化的过程吸收率低,激光难以持续熔化铜金属粉末,从而导致成形效率低,冶金质量难以控制。根据市场观察,多家火箭制造企业在开发铜合金3D打印工艺,并通过这一技术制造功能集成的火箭发动机部件。

      Aerojet Rocketdyne在火箭铜合金推力室3D打印领域取得的突破,为制造新一代RL10发动机带来了可能性。3D打印铜合金推力室部件将替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由传统工艺制造的,由多个不锈钢零件焊接而成,而3D打印的铜合金推力室部件则由两个铜合金零件构成。相比传统的制造工艺,选区激光熔化3D打印技术为推力室的设计带来了更高的自由度,使设计师可以尝试具有更高热传导能力的先进结构。而增强的热传导能力使得火箭发动机的设计更加紧凑和轻量化,这正是火箭发射技术所需要的。从事小型火箭制造与发射的航天初创企业Launcher 也测试了铜合金火箭发动机部件。Launcher去年以来一直致力于开发概念验证发动机E-1 ,这是一种3D打印铜合金(Cucrzr)发动机部件,集成了复杂冷却通道,这一设计将使发动机冷却效率得到提升。

      NASA在2015年取得了铜合金部件3D打印方面获得进展,制造技术也是选区激光熔化3D打印,打印材料为GRCo-84铜合金。NASA用这项技术制造的3D打印零件为火箭燃烧室衬里,该部件总共被分为8,255层,进行逐层打印,打印时间为10天零18个小时。

     这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道,制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道,即使对增材制造技术来说也是一大挑战。部件打印完成后,NASA的研究人员使用电子束自由制造设备为其涂覆一层含镍的超合金。NASA的最终目标是要是要使火箭发动机零部件的制造速度大幅提升,同时至少降低50%的制造成本。

       国内金属3D打印企业铂力特已在铜金属激光成形领域取得了进展,研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺,实现了复杂流道的铜材料制造工艺,成功制备出3D打印铜合金尾喷管。

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