NASA：3D打印+热力学建模=快速研发高性能合金GRX-810

2022年4月，南极熊获悉，美国国家航空航天局 ( NASA ) 开发了一种全新的适合金属3D打印的合金，专门用于高性能航空航天领域。

他们研发的材料为GRX-810，GRX-810同时兼具高强度和耐用性，是一种通过纳米级氧化物分散强化 (ODS) 的合金。这种材料可以承受超过1090°C (2000°F) 的温度，比现有的航空航天合金更具延展性。

NASA 打算利用其最新的创新制造技术为火箭发动机等系统3D打印高温部件，此举可以提高燃油效率并降低维护成本。NASA已经使用这种合金来3D打印了涡轮发动机燃烧器，这是一个可用于混合燃料和空气的整体部件。

纳米级氧化物颗粒赋予了合金令人难以置信的性能优势。

——NASA技术项目副项目经理 Dale Hopkins

△使用 GRX-810 打印的涡轮发动机燃烧器 。照片来自美国国家航空航天局。

GRX-810：一种神奇的合金？

由于大气层外的环境十分严峻，NASA 的材料研发工作目标是在极端环境条件下提高零件的机械性能。GRX-810就是NASA实现这一目标过程中迈出的重要一步，因为它比当今许多领先的合金（例如因科镍合金）具有更多的性能优势。例如，在1090°C 时，与“最先进的合金”相比，GRX-810 具有其两倍的抗断裂性、三倍半的延展性，以及超过1,000 倍的应力耐久性。

Dale Hopkins指出，这一突破对于材料开发来是革命性的。在不断提高飞行技术和飞行能力的过程中，新型的更坚固、更轻的材料发挥着关键作用。曾经，拉伸强度的增加通常会降低材料在断裂前的拉伸和弯曲能力，而GRX-810正好解决了这个问题。

一种新的合金开发工艺

GRX-810的综合特性在很大程度上归功于NASA的新合金开发过程。他们使用了3D打印技术与热力学建模相结合，实现了材料的突破性性能。

ODS合金的开发往往既困难又昂贵，因此NASA的研究人员最初不得不使用计算模型微调GRX-810的成分。该团队利用热力学建模准确确定要结合的金属以及数量。然后，研究人员利用基于激光的3D打印将纳米级氧化物均匀地分散在整个合金基体中，从而提供耐温性和强度特性。

Dale Hopkins指出，ODS 的开发过程通常需要数年时间，并且主要基于反复试验。使用这种计算建模和3D打印的新组合，研究人员设法将开发时间缩短到几周。通过热力学建模，NASA团队能够仅在30次模拟中就发现最佳的合金成分。

“应用这两种工艺大大加快了我们材料开发的速度。我们现在可以比以前更快、性能更好地生产新材料。”

——美国宇航局克利夫兰格伦研究中心的材料研究科学家Tim Smith。

△美国宇航局格伦研究中心。照片来自美国国家航空航天局。

金属3D打印技术已经广泛应用于航空航天领域

●在2022年4月，推进系统制造商Aerojet Rocketdyne在nTopology的设计软件的帮助下，使用3D打印优化其反应控制系统(RCS) 四推进器的关键部件。该公司的新太空发动机部件现在重量减轻了67%，同时还将推进器的总体生产成本降低了66%，以实现更快、更可持续的月球探索。

●航空航天巨头波音公司最近推出了一个新的高通量3D打印设备，用于生产和测试小型卫星。此设备占地100万平方英尺，位于 El Segundo 世界上最大的卫星工厂内，将由波音的子公司Millennium Space Systems提供动力。为了加快小型卫星的交付时间，此设备将3D打印整个符合太空要求的卫星巴士，预计将于2022年底全面投入运营。