替代釺焊，NASA成功測試兩種合金製成的3D列印火箭發動機點火器

在由多種合金製成的航天零件中，通常需要用到釺焊的工藝。釺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。釺焊時一般都發生母材向液體釺料的溶解過程，可使釺料成份合金化，有利於提高接頭強度。釺焊時也出現釺料組份向母材的擴散，擴散以兩種方式進行：一種是釺料組元向整個母材晶粒內部擴散，在母材毗鄰釺縫處的一邊形成固溶體層，對接頭不會產生不良影響。另一種是釺料組元擴散到母材的晶粒邊界，常常使晶界發脆，尤其是在薄件釺焊時比較明顯。

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製成的3D列印火箭發動機點火器。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列印的另一大應用潛力：解決釺焊加工所面臨的挑戰。

相互擴散的

兩種合金

根據馬歇爾工程總監主任Preston Jones，用兩種不同的合金製成的3D列印火箭組件是一項了不起的技術成就。3D列印技術可以將未來的火箭發動機成本降低三分之一，製造時間減少50％。

這款3D列印的火箭發動機點火器，標誌著NASA能夠首次使用3D列印成功地將功能部件中的兩種金屬合金組合在一起。位於馬歇爾的NASA工程師說，這一突破可能開啟火箭點火器更快的開發周期，並降低發動機點火器在未來的生產成本。

傳統上，關鍵的發動機部件是使用釺焊的複雜且費力的工藝製成的，釺焊是一種緩慢而昂貴的工藝，並且需要體力勞動和各種不同的步驟來配合完成。通過3D列印將兩種金屬材料列印成一個單一部件，NASA開闢了一種更高效、更經濟有效的製造火箭發動機點火器的方法。

與熔焊不同，釺焊是採用液相線溫度比母材固相線溫度低的金屬材料作釺料，將零件和釺料加熱到釺料熔化，利用液態釺料潤濕母材、填充接頭間隙並與母材相互溶解和擴散，隨後，液態釺料結晶凝固，從而實現零件的連接。

釺焊時，液體釺料要沿著間隙去填滿釺縫，由於間隙很小，如同毛細管，所以稱之為毛細流動。毛細流動能力的大小，能決定釺料能否填滿釺縫間隙。

根據馬歇爾的材料和工藝實驗室的高級製造負責人和項目負責人Majid Babai，消除釺焊過程並將雙金屬材料製成單一組件，這不僅可以降低成本和製造時間，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列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生斷裂情況。

該零部件由銅合金和Inconel合金製成，通過DMG MORI（德馬吉森精機）開發的混合3D列印工藝生產出來，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：用戶可以選擇在列印過程中對零件的內部進行CNC機加工。換句話說，3D印表機可以在增材製造和減材製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。

馬歇爾太空飛行中心的工程師團隊對3D列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於分析。最後，他們發現，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。

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SLS液體發動機部門經理Steve Wofford，NASA對這種新的3D列印先進位造技術對空間發射系統可能做出的更大貢獻感到鼓舞。在下一代火箭發動機設計中，NASA渴望通過3D列印技術創造更大、更複雜的飛行組件。

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