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或不同材質的金屬連接在一起。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成就。3D打印技術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成本。

傳統上，關鍵的發(fā)動機部件是使用釬焊的復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)釬料結晶凝固，從而實現零件的連接。

釬焊時，液體釬料要沿著間隙去填滿釬縫，由于間隙很小，如同毛細管，所以稱之為毛細流動。毛細流動能力的大小，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

根據馬歇爾的材料和工藝實驗室的高級制造負責人和項目負責人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量風險。

通過3D打印過程將兩種材料分散熔合在一起，兩種材料內部晶粒產生粘結，使得任何硬質過渡都被消除，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換，從而在其組件的整個輪廓完成之前進行完善組件內部結構的精加工作業(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。經過大量的熱火試驗，阿拉巴馬大學的研究人員得到了零件解構數據用于分析。最后，他們發(fā)現，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。

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

來源：3D科學谷