替代钎焊，NASA成功测试两种合金制成的3D打印火箭发动机点火器

在由多种合金制成的航天零件中，通常需要用到钎焊的工艺。钎焊主要是通過加热到一定溫度使焊料熔化，从而把兩种一样材质或不同材质的金属连接在一起。钎焊时一般都发生母材向液体钎料的溶解过程，可使钎料成份合金化，有利于提高接头强度。钎焊时也出现钎料组份向母材的扩散，扩散以两种方式进行：一种是钎料组元向整个母材晶粒内部扩散，在母材毗邻钎缝处的一边形成固溶体层，对接头不会产生不良影响。另一种是钎料组元扩散到母材的晶粒边界，常常使晶界发脆，尤其是在薄件钎焊时比较明显。

所以说两种金属材料的接头强度是一大加工难点。日前，美国宇航局NASA已经成功测试了由两种不同金属合金制成的3D打印火箭发动机点火器。测试是在阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心完成的，这揭示了3D打印的另一大应用潜力：解决钎焊加工所面临的挑战。

相互扩散的两种合金
根据马歇尔工程总监主任Preston Jones，用两种不同的合金制成的3D打印火箭组件是一项了不起的技术成就。3D打印技术可以将未来的火箭发动机成本降低三分之一，制造时间减少50％。

这款3D打印的火箭发动机点火器，标志着NASA能够首次使用3D打印成功地将功能部件中的两种金属合金组合在一起。位于马歇尔的NASA工程师说，这一突破可能开启火箭点火器更快的开发周期，并降低发动机点火器在未来的生产成本。

传统上，关键的发动机部件是使用钎焊的复杂且费力的工艺制成的，钎焊是一种缓慢而昂贵的工艺，并且需要体力劳动和各种不同的步骤来配合完成。通过3D打印将两种金属材料打印成一个单一部件，NASA开辟了一种更高效、更经济有效的制造火箭发动机点火器的方法。

与熔焊不同，钎焊是采用液相线温度比母材固相线温度低的金属材料作钎料，将零件和钎料加热到钎料熔化，利用液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互溶解和扩散，随后，液态钎料结晶凝固，从而实现零件的连接。

钎焊时，液体钎料要沿着间隙去填满钎缝，由于间隙很小，如同毛细管，所以称之为毛细流动。毛细流动能力的大小，能决定钎料能否填满钎缝间隙。

图片：点火器横截面的显微镜图像显示两种金属是如何相互扩散的，来源NASA

根据马歇尔的材料和工艺实验室的高级制造负责人和项目负责人Majid Babai，消除钎焊过程并将双金属材料制成单一组件，这不仅可以降低成本和制造时间，而且还可以通过提高组件的可靠性而降低质量风险。

通过3D打印过程将两种材料分散熔合在一起，两种材料内部晶粒产生粘结，使得任何硬质过渡都被消除，从而零件不会在巨大的压力和温度梯度变化下发生断裂情况。该零部件由铜合金和Inconel合金制成，通过DMG MORI（德马吉森精机）开发的混合3D打印工艺生产出来，点火器部件的高度为10英寸、宽为7英寸。

此外，DMG MORI的系统提供了一个独特的功能：用户可以选择在打印过程中对零件的内部进行CNC机加工。换句话说，3D打印机可以在增材制造和减材制造加工之间进行转换，从而在其组件的整个轮廓完成之前进行完善组件内部结构的精加工作业。马歇尔太空飞行中心的工程师团队对3D打印的点火器进行了完整的测试。测试过程包括30多个低压热火测试。经过大量的热火试验，阿拉巴马大学的研究人员得到了零件解构数据用于分析。最后，他们发现，零件的两种合金有着很好的扩散分布，形成了很高的接头强度。

根据马歇尔SLS液体发动机部门经理Steve Wofford，NASA对这种新的3D打印先进制造技术对空间发射系统可能做出的更大贡献感到鼓舞。在下一代火箭发动机设计中，NASA渴望通过3D打印技术创造更大、更复杂的飞行组件。

来源：3D科学谷