上海
3D科学谷《NASA划时代的旋转爆震火箭发动机，如何化解极端要求下的三大技术挑战？》一文中分享过NASA 开发的铜合金 GRCop-84 (Cu-8Cr-4 Nb at%) 和 GRCop-42 (Cu-4Cr-2 Nb at%) ，NASA的研究表明，GRCop-84 铜合金燃烧室衬里可以轻松实现 100 次维护服务之间和 500 次发动机寿命任务的目标。最近，作为研究项目的一部分，NASA对这些材料在高温下具有高导热性和高机械性能进行了研究。
▲热物理特征研究
©NASA
建立工艺能力与设计指南
当前，由于 L-PBF 选区激光熔化金属3D打印加工参数和由此产生的微观结构并不具备一定的可复制性，不能很好地“移植”到生产环境，因此了解多台机器和粉末化学成分之间的变化对于实现高度监管行业的工业3D打印应用至关重要。因此，NASA此项研究的重点是热物理性质的变化，这些变化可用于建立工艺能力和设计指南，以进行持续的商业用途和进一步的研究。
GRCop-84 和 GRCop-42这些合金的基体几乎是纯铜，因此具有导电性和导热性，旨在实现火箭发动机燃烧室衬里的再生冷却。特别是 GRCop-84，可以提供针对 500–800 °C 优化的微观结构稳定性、抗蠕变性、良好的导热性、良好的低循环疲劳寿命和高拉伸强度。
▲GRCop-84铜衬里
©3D科学谷白皮书
问题是，由于大多数材料在加热时都会膨胀，这种热膨胀会给火箭发动机衬套带来故障问题：
热引起的应力：衬里通常受到保持相对凉爽的高强度护套的约束。衬里不能自由膨胀，热膨胀会产生热感应应力。
这些热应力导致材料永久变形，从而永久改变衬里的形状。这可能包括所谓的“狗窝”效应，它可能导致冷却通道内的热壁失效。
低循环疲劳 (LCF)：燃烧室衬里反复循环以进行鉴定或运行。衬里将因热膨胀而局部承受超过 1% 的重复应变。这是造成衬管故障的主要原因之一
为了实现所需的微观结构、热物理性能和机械性能，GRCop 合金在凝固过程中需要高冷却速率。
热导率和热膨胀测试
在这项研究中，GRCop-42 和 GRCop-84 铜合金特征试验品由八个不同的供应商利用激光粉床熔融 (L-PBF) 3D打印工艺生产。每个供应商都采用其特定的 L-PBF 激光粉床熔融设备以及略有不同的加工参数（通常被认为是专有的）来制造试验品。在 25–700°C 的温度范围内建立了方程来预测热导率，并在 20–1000°C 的温度范围内建立了 CTE热膨胀系数测试（平均和瞬时）。
对于不同的粉末源和不同的L-PBF系统/参数，GRCop热导率的变化高达平均值的±4％左右， 这些微小的变化可以部分地由合金元素含量的差异来解释。
平均CTE热膨胀系数和瞬时CTE热膨胀系数的结果均显示样品之间具有极好的一致性，并且值的变化非常小，基于这些结果，可以得出结论无论起始粉末、参数或机器如何，增材制造的GRCop-42 和 GRCop-84 的热膨胀性能都具有出色的再现性。
结果表明，通过激光粉床熔融 (L-PBF) 3D打印工艺生产的GRCop-42 和GRCop-84 铜合金的热物理性能表现出高度可重复的结果，与加工参数、粉末原料差异和机器类型无关。这意味着零件内部和零件之间的一致性，并使设计人员更有信心在3D打印制造过程中提高可靠性并降低风险。
©NASA
GRCop-42 样品的热导率表现出 ± 4% 的变化，样品之间的这种额外变化可能与溶解在铜基质中的溶质原子的量有关。虽然没有发现明确的相关性，但事实证明这些因素可能是重要因素。需要采用全面的原子尺度和微观尺度研究，以充分阐明热导率的变化。
对于AM增材制造的GRCop-42 和 GRCop-84 样品，热膨胀行为在统计上存在显着差异，但每种合金的热膨胀行为是一致的。大部分的热膨胀较低，这将带来较低的热致应力、较少的热应变将带来较低的故障率。
重要的是要认识到，虽然激光粉床熔融 (L-PBF) 3D打印工艺制造的零件可以在受控实验室环境中成功构建，但到生产环境的转换并不总是无缝的。许多机器和粉末批次之间存在差异，因此需要全面了解彼此独立运营的多个供应商之间的性能差异。整个商业供应链的可重复性和再现性对于设计师来说至关重要，旨在确保零件符合预期的性能和操作要求。
具体来说，热导率和热膨胀的考虑在3D打印设计过程中显得至关重要。通过利用热性能变化的知识，可以建立工艺能力和设计指南，以促进持续的商业利用和进一步的研究工作。
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