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NASA（美國國家航空航天局）的研究人員開發(fā)了一種新的3D打印銅合金材料，并通過該材料和選區(qū)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(chuàng)建。

圖：NASA 馬歇爾太空飛行中心進行3D打印噴嘴的熱火試驗。 來源：NASA / MSFC。

高導熱性-蠕變性和高溫強度

GRCop-42 銅合金粉末可用于生產(chǎn)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(jù)3D科學谷的市場觀察，NASA 從2014年開始開發(fā)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(fā)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(fā)動機燃燒室組件將“超過傳統(tǒng)方式制造的上一代產(chǎn)品”。

整個2018年，NASA團隊對GRCop-42 金屬粉末進行了測試，通過選區(qū)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)，由GRCop-42制成的3D打印金屬部件表現(xiàn)出高導熱性，優(yōu)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(shù)集。

3D科學谷-Review

銅是一種導熱性和反射性極佳的材料，這一屬性也使選區(qū)激光熔化技術在進行銅合金零件增材制造時充滿挑戰(zhàn)。銅金屬在激光熔化的過程吸收率低，激光難以持續(xù)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(jù)3D科學谷的市場觀察，多家火箭制造企業(yè)在開發(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)的制造工藝，選區(qū)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(fā)動機的設計更加緊湊和輕量化，這正是火箭發(fā)射技術所需要的。

從事小型火箭制造與發(fā)射的航天初創(chuàng)企業(yè)Launcher 也測試了銅合金火箭發(fā)動機部件。Launcher去年以來一直致力于開發(fā)概念驗證發(fā)動機E-1 ，這是一種3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動機部件，集成了復雜冷卻通道，這一設計將使發(fā)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(qū)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(zhàn)。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的最終目標是要是要使火箭發(fā)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(jù)3D科學谷的市場研究，國內金屬3D打印企業(yè)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(xiàn)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。