替代釬焊，NASA成功測試兩種合金制成的3D打印火箭發(fā)動機點火器

在由多種合金制成的航天零件中，通常需要用到釬焊的工藝。釬焊主要是通過加熱到一定溫度使焊料熔化，從而把兩種一樣材質(zhì)或不同材質(zhì)的金屬連接在一起。釬焊時一般都發(fā)生母材向液體釬料的溶解過程，可使釬料成份合金化，有利于提高接頭強度。釬焊時也出現(xiàn)釬料組份向母材的擴散，擴散以兩種方式進行：一種是釬料組元向整個母材晶粒內(nèi)部擴散，在母材毗鄰釬縫處的一邊形成固溶體層，對接頭不會產(chǎn)生不良影響。另一種是釬料組元擴散到母材的晶粒邊界，常常使晶界發(fā)脆，尤其是在薄件釬焊時比較明顯。

所以說兩種金屬材料的接頭強度是一大加工難點。日前，美國宇航局NASA已經(jīng)成功測試了由兩種不同金屬合金制成的3D打印火箭發(fā)動機點火器。測試是在阿拉巴馬州的馬歇爾太空飛行中心完成的，這揭示了3D打印的另一大應(yīng)用潛力：解決釬焊加工所面臨的挑戰(zhàn)。

相互擴散的兩種合金
根據(jù)馬歇爾工程總監(jiān)主任Preston Jones，用兩種不同的合金制成的3D打印火箭組件是一項了不起的技術(shù)成就。3D打印技術(shù)可以將未來的火箭發(fā)動機成本降低三分之一，制造時間減少50％。

這款3D打印的火箭發(fā)動機點火器，標(biāo)志著NASA能夠首次使用3D打印成功地將功能部件中的兩種金屬合金組合在一起。位于馬歇爾的NASA工程師說，這一突破可能開啟火箭點火器更快的開發(fā)周期，并降低發(fā)動機點火器在未來的生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)上，關(guān)鍵的發(fā)動機部件是使用釬焊的復(fù)雜且費力的工藝制成的，釬焊是一種緩慢而昂貴的工藝，并且需要體力勞動和各種不同的步驟來配合完成。通過3D打印將兩種金屬材料打印成一個單一部件，NASA開辟了一種更高效、更經(jīng)濟有效的制造火箭發(fā)動機點火器的方法。

與熔焊不同，釬焊是采用液相線溫度比母材固相線溫度低的金屬材料作釬料，將零件和釬料加熱到釬料熔化，利用液態(tài)釬料潤濕母材、填充接頭間隙并與母材相互溶解和擴散，隨后，液態(tài)釬料結(jié)晶凝固，從而實現(xiàn)零件的連接。

釬焊時，液體釬料要沿著間隙去填滿釬縫，由于間隙很小，如同毛細(xì)管，所以稱之為毛細(xì)流動。毛細(xì)流動能力的大小，能決定釬料能否填滿釬縫間隙。

圖片：點火器橫截面的顯微鏡圖像顯示兩種金屬是如何相互擴散的，來源NASA

根據(jù)馬歇爾的材料和工藝實驗室的高級制造負(fù)責(zé)人和項目負(fù)責(zé)人Majid Babai，消除釬焊過程并將雙金屬材料制成單一組件，這不僅可以降低成本和制造時間，而且還可以通過提高組件的可靠性而降低質(zhì)量風(fēng)險。

通過3D打印過程將兩種材料分散熔合在一起，兩種材料內(nèi)部晶粒產(chǎn)生粘結(jié)，使得任何硬質(zhì)過渡都被消除，從而零件不會在巨大的壓力和溫度梯度變化下發(fā)生斷裂情況。該零部件由銅合金和Inconel合金制成，通過DMG MORI（德馬吉森精機）開發(fā)的混合3D打印工藝生產(chǎn)出來，點火器部件的高度為10英寸、寬為7英寸。

此外，DMG MORI的系統(tǒng)提供了一個獨特的功能：用戶可以選擇在打印過程中對零件的內(nèi)部進行CNC機加工。換句話說，3D打印機可以在增材制造和減材制造加工之間進行轉(zhuǎn)換，從而在其組件的整個輪廓完成之前進行完善組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精加工作業(yè)。馬歇爾太空飛行中心的工程師團隊對3D打印的點火器進行了完整的測試。測試過程包括30多個低壓熱火測試。經(jīng)過大量的熱火試驗，阿拉巴馬大學(xué)的研究人員得到了零件解構(gòu)數(shù)據(jù)用于分析。最后，他們發(fā)現(xiàn)，零件的兩種合金有著很好的擴散分布，形成了很高的接頭強度。

根據(jù)馬歇爾SLS液體發(fā)動機部門經(jīng)理Steve Wofford，NASA對這種新的3D打印先進制造技術(shù)對空間發(fā)射系統(tǒng)可能做出的更大貢獻(xiàn)感到鼓舞。在下一代火箭發(fā)動機設(shè)計中，NASA渴望通過3D打印技術(shù)創(chuàng)造更大、更復(fù)雜的飛行組件。

來源：3D科學(xué)谷