NASA：3D打印+熱力學(xué)建模=快速研發(fā)高性能合金GRX-810

2022年4月，南極熊獲悉，美國國家航空航天局 ( NASA ) 開發(fā)了一種全新的適合金屬3D打印的合金，專門用于高性能航空航天領(lǐng)域。

他們研發(fā)的材料為GRX-810，GRX-810同時(shí)兼具高強(qiáng)度和耐用性，是一種通過納米級(jí)氧化物分散強(qiáng)化 (ODS) 的合金。這種材料可以承受超過1090°C (2000°F) 的溫度，比現(xiàn)有的航空航天合金更具延展性。

NASA 打算利用其最新的創(chuàng)新制造技術(shù)為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)3D打印高溫部件，此舉可以提高燃油效率并降低維護(hù)成本。NASA已經(jīng)使用這種合金來3D打印了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器，這是一個(gè)可用于混合燃料和空氣的整體部件。

納米級(jí)氧化物顆粒賦予了合金令人難以置信的性能優(yōu)勢(shì)。

——NASA技術(shù)項(xiàng)目副項(xiàng)目經(jīng)理 Dale Hopkins

△使用 GRX-810 打印的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器 。照片來自美國國家航空航天局。

GRX-810：一種神奇的合金？

由于大氣層外的環(huán)境十分嚴(yán)峻，NASA 的材料研發(fā)工作目標(biāo)是在極端環(huán)境條件下提高零件的機(jī)械性能。GRX-810就是NASA實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)過程中邁出的重要一步，因?yàn)樗�比�?dāng)今許多領(lǐng)先的合金（例如因科鎳合金）具有更多的性能優(yōu)勢(shì)。例如，在1090°C 時(shí)，與“最先進(jìn)的合金”相比，GRX-810 具有其兩倍的抗斷裂性、三倍半的延展性，以及超過1,000 倍的應(yīng)力耐久性。

Dale Hopkins指出，這一突破對(duì)于材料開發(fā)來是革命性的。在不斷提高飛行技術(shù)和飛行能力的過程中，新型的更堅(jiān)固、更輕的材料發(fā)揮著關(guān)鍵作用。曾經(jīng)，拉伸強(qiáng)度的增加通常會(huì)降低材料在斷裂前的拉伸和彎曲能力，而GRX-810正好解決了這個(gè)問題。

一種新的合金開發(fā)工藝

GRX-810的綜合特性在很大程度上歸功于NASA的新合金開發(fā)過程。他們使用了3D打印技術(shù)與熱力學(xué)建模相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了材料的突破性性能。

ODS合金的開發(fā)往往既困難又昂貴，因此NASA的研究人員最初不得不使用計(jì)算模型微調(diào)GRX-810的成分。該團(tuán)隊(duì)利用熱力學(xué)建模準(zhǔn)確確定要結(jié)合的金屬以及數(shù)量。然后，研究人員利用基于激光的3D打印將納米級(jí)氧化物均勻地分散在整個(gè)合金基體中，從而提供耐溫性和強(qiáng)度特性。

Dale Hopkins指出，ODS 的開發(fā)過程通常需要數(shù)年時(shí)間，并且主要基于反復(fù)試驗(yàn)。使用這種計(jì)算建模和3D打印的新組合，研究人員設(shè)法將開發(fā)時(shí)間縮短到幾周。通過熱力學(xué)建模，NASA團(tuán)隊(duì)能夠僅在30次模擬中就發(fā)現(xiàn)最佳的合金成分。

“應(yīng)用這兩種工藝大大加快了我們材料開發(fā)的速度。我們現(xiàn)在可以比以前更快、性能更好地生產(chǎn)新材料�！�

——美國宇航局克利夫蘭格倫研究中心的材料研究科學(xué)家Tim Smith。

△美國宇航局格倫研究中心。照片來自美國國家航空航天局。

金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域

●在2022年4月，推進(jìn)系統(tǒng)制造商Aerojet Rocketdyne在nTopology的設(shè)計(jì)軟件的幫助下，使用3D打印優(yōu)化其反應(yīng)控制系統(tǒng)(RCS) 四推進(jìn)器的關(guān)鍵部件。該公司的新太空發(fā)動(dòng)機(jī)部件現(xiàn)在重量減輕了67%，同時(shí)還將推進(jìn)器的總體生產(chǎn)成本降低了66%，以實(shí)現(xiàn)更快、更可持續(xù)的月球探索。

●航空航天巨頭波音公司最近推出了一個(gè)新的高通量3D打印設(shè)備，用于生產(chǎn)和測(cè)試小型衛(wèi)星。此設(shè)備占地100萬平方英尺，位于 El Segundo 世界上最大的衛(wèi)星工廠內(nèi)，將由波音的子公司Millennium Space Systems提供動(dòng)力。為了加快小型衛(wèi)星的交付時(shí)間，此設(shè)備將3D打印整個(gè)符合太空要求的衛(wèi)星巴士，預(yù)計(jì)將于2022年底全面投入運(yùn)營。