增材制造（AM）为具有复杂内部特征的精密部件（例如以前不可能通过传统工艺加工出来的带复杂冷却流道的液体火箭发动机推力室）带来了重大的设计和制造机会。

除了减轻重量并实现性能优化外，3D打印技术还可以显着节省成本并缩短制造周期。本期，3D科学谷针对美国NASA宇航局正在开发的一个名为“快速分析和制造推进技术”（RAMPT）的项目，分次(本文为第三篇Part3),与谷友共同深度了解NASA在材料开发方面的尝试，以及两种不同的金属3D打印工艺集成的尝试及所遇到的挑战。（点击打开前两篇Part1,Part2)

挑战的多重性

核心发力

RAMPT项目的一大核心是铜合金的3D打印实现了足够的成熟度。如今NASA在GRCop-42铜合金的基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术方面具备了足够的成熟度，并通过了热火测试。几家美国国内供应商已使用L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术开发了制造参数，并能够制造目前最大直径为15.6英寸（毫米）的零件。

GRCop合金的成熟度是RAMPT的核心技术，GRCop-42在L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术方面的成熟还使得允许进一步开发多合金沉积工艺，从而为径向和轴向沉积或熔覆提供探索基础。

用GRCop-42通过L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术制造的各种推力级燃烧室已经完成，这些燃烧室是由各种供应商制造的，随着粉末研发和制造供应链的发展，目前GRCop铜合金的金属3D打印制造流程改善了粉末去除和后处理方面的许多先前挑战。RAMPT还尝试了几种新的设计，事实证明新设计可以成功地提供了额外的性能优势。

GRCop-84铜合金通过基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术所制造的燃烧室。来源：NASA

挑战-燃烧室与喷管的耦合

L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术加工的铜合金燃烧室与DED定向能量沉积3D打印的集成中存在一些挑战，例如，使用超级合金进行喷管焊接制备的最佳热处理（即均质化和固溶化）所需的温度要高于GRCop-42铜合金所能“容忍”的温度。这需要对材料特性产生一些影响。集成过程中遇到的其他挑战是操作顺序，其中复合材料护套的温度受到限制，大多数焊接和机加工操作必须在包裹前进行，以免造成损坏。NASA在进行适当的风险管理的同时汲取了经验与教训。

研发人员在GRCop-84铜合金推力室燃烧室的后端直接通过DED定向能量沉积3D打印技术加工JBK-75材料制造了燃烧室喷管。双金属接头是通过L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术加工的，研发人员尝试了各种将这些制造过程与复杂的接头相结合的可行性，吸取了一些教训，并对接缝进行一些重新设计，以提供足够的材料并避免过度加热。

研发人员着手开发了耦合的双金属推力室组件，在图中可以看到这种硬件，这种设计在喷管和燃烧室中加入了连续的冷却通道，并消除了接头处的歧管，该项目还在继续开发和制造7K-lbf和40K-lbf更大尺寸的推力室喷管和铜合金推力室燃烧室耦合。

GRCop-84铜合金燃烧室（L-PBF技术所制造）与喷管（DED技术所制造）的耦合。来源：NASA

进化，推动边界扩展与跃升

DED的进化

DED定向能量沉积3D打印技术用来制造推力室喷管的优势在于沉积速率和可扩展性，然而这些属性都需要进行大量改进，才能证明其被大规模应用来制造喷管通道壁的前景。此外，尽管NASA目前所使用的DED定向能量沉积3D打印技术无法L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术的所实现的精度相竞争，但它已展示出构建燃烧室喷管应用所需的内冷通道的构建能力。

DED定向能量沉积3D打印技术通过同轴送粉或多喷嘴沉积头，将粉末与惰性载气一起注入到零件的熔池中。熔池是由中央激光能量源产生的，通过惰性气体的保护以最大程度地减少加工过程中金属的氧化。

DED技术加工集成冷却流道的推力室喷管。来源：NASA

NASA与行业合作伙伴共同开发了薄壁通道的设计。在图中可以看到DED定向能量沉积3D打印技术加工的一些通道示例。这些通道演示了可能的设计选项，各种加工路径策略以及确定的过程几何形状限制。