使用多工艺融合开发3D打印多材料梯度合金

梯度材料是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度。在组合方式上，梯度材料有金属/金属、金属/陶瓷、金属/非金属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/非金属以及非金属/塑料六种。在制造工艺方面，对于不同的材料组合方式已经发展出了不同的工艺类型，3D打印是其中之一。

我们已经注意到欧洲的多国团队已经发起了联合项目，共同推动多材料、多工艺协同金属3D打印。国内清华大学林峰教授团队、北京科技大学曲选辉教授团队以及华南理工大学杨永强教授团队也已将该方向纳入其中。本期，3D打印技术参考以NASA的实践为例，介绍采用优的工艺组合实现多金属梯度成型的实践案例。

增材制造为开发具有复杂内部特征和薄壁的火箭发动机组件带来了重要设计和制造机会，但主流的工艺都集中在制造单一材料，而现实应用中的整体式部件可能是多种材料的组合。因此，现有的增材制造工艺无法完全优化应用结构。NASA在定向能量沉积技术方面的探索已经表明，增材制造为节省成本和缩短制造周期带来了可观回报，同时使零件重量和性能也得以优化。

GRCop-84铜合金与Inconel 625的复合

NASA于2014年开始旨在探索使用3D打印技术生产低成本上层级推进系统能力的LCUSP项目。在该项目中，NASA成功展示了使用激光粉末床熔融技术（SLM/L-PBF）制造GRCop-84铜合金燃烧室衬里以及使用电子束自由沉积技术（EBF）在推力室衬里上制造Inconel 625冷却通道和外壁的能力。这种3D打印的多金属复合结构燃烧室于2018年成功进行了热火测试，NASA还通过与工业界的合作进一步将其发展为成熟的双金属燃烧室。

SLM制造的燃烧室铜合金衬里和DED制造的镍基合金外衬

LCUSP项目的成功实践表明，不同工艺之间的“佳组合”为快速开发低成本、梯度材料高质量火箭推进部件提供了上升通道。

GRCop-42铜合金与HR-1镍基高温合金的复合

RAMPT是NASA于2017年开始的另一项借助3D打印开发并推进火箭发动机部件设计与制造的项目，其不仅希望减少零件数量和重量、提高可靠性，还希望保持稳定的供应链。在该项目中，NASA采用激光能量沉积技术（LP-DED）打印了直径1.5米、长度1.8米的镍基高温合金（NASA HR-1）整体通道火箭喷嘴，并将零件数量从1100多个减少到10个以内，制造时间也仅仅90天。这种近乎完整的原型设计和制造能力使研究团队迅速用于制造更大尺寸的火箭演示器件，如SLS火箭的RS-25发动机喷嘴，它的尺寸相当于此前打印喷嘴尺寸的1.5倍。研究人员终在五个月内验证了3D打印的整体冷却通道和薄壁结构，并有效控制了打印变形。