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。

3D打印的多材料结构

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。本期内容以NASA的实践为例，介绍采用最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In625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“最佳组合”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）整体通道火箭喷管，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发动机喷管，它的尺寸相当于此前打印喷管尺寸的1.5倍。研究人员最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。

NASA采用激光能量沉积制造整体式火箭发动机喷管

NASA采用激光能量沉积制造的HR-1合金整体式喷管，直径1.5m，长度1.8m，其尺寸为RS-25喷管的65％

RAMPT项目进一步增强了3D打印在喷嘴和燃烧室制造中的优势，并进一步完善了相关技术。NASA近些年新开发了一种新的3D打印铜合金GRCop-42，并正在研究在SLM打印的该合金的燃烧室上直接采用激光沉积HR-1高温合金冷却通道喷嘴，这种整体式的结构将不再需要螺栓连接，增加了结构稳定性。与之相关的预防构建失败和变形的建模、工艺仿真也都在计划之内，相关的材料表征、测试等也在进行之中。

NASA在L-PBF打印的GRCop-42铜合金外采用 LP-DED工艺打印HR-1高温合金制造整体式部件

NASA使用L-PBF工艺打印的GRCop-42铜合金和 LP-DED打印的HR-1高温合金整体式部件

GRCop铜合金系列已经在NASA多个项目中获得测试和应用，同时HR-1高温合金的微观结构和材料特性也正在得到研究。结合铜合金的导热性和镍基合金的高温强度，双金属或多金属的一体化结构部件无疑会减少很多制造步骤并增加稳定性。但是，与其将这种结构称之为双金属或者多材料，不如称其为梯度材料。

3D打印梯度材料在航空航天领域大有可为

成分梯度合金在航空航天领域具有重要的应用潜力，工件的不同位置工作条件可能不同，所需要的的特性也会有差异。例如一个位置需要抗腐蚀，另一个位置需要抗蠕变，这就需要连接两种或多种不同的合金；再以燃烧室为例，其衬里需要铜合金的高导热性，外层则需要镍基合金的高温强度。虽然目前已经有冷/热涂层和熔焊等不同的金属连接技术，但它们对于大型部件的连接要么成本很高，要么工艺复杂。

使用激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉积（DED）等技术对金属部件进行增材制造具有非常大的优势，它提供了更好的尺寸精度，最大限度的减少后处理，并改进了组合材料的机械性能。

在该领域，清华大学、西安交通大学、北京科技大学等均有知名学者在进行研究；北京隆源和广州雷佳也开发了基于铺粉的多材料3D打印设备。3D打印技术参考注意到，2024 TCT亚洲展期间，升华三维正式发布了最新研发的金属/陶瓷功能梯度材料3D打印机UPR-241，基于粉末挤出3D打印技术（PEP）的功能梯度材料打印方法，采用颗粒材料按梯度设计自动调控混合打印成型，工序简单、设计自由度高，可实现材料的梯度连续性变化。可结合传统粉末冶金的后处理工艺，实现连续梯度层的整体型功能梯度材料制备。

升华三维钨-铜功能梯度材料3D打印结构样品展示

除此之外，中航工业沈阳飞机设计研究所早在多年前已经采用增材制造实现了300M与A-100钢梯度复合设计成型，这种方式可以使飞机起落架的制造成本降低45%。而火箭燃烧室等部件的梯度也有进展，

金属3D打印技术包含多种不同的工艺，粉末床熔融、定向能量沉积、冷喷涂等等，各种工艺已经证明适用于不同的制造领域。然而各种工艺都有其技术限制，无论受制于材料、尺寸还是成本，各项工艺无法通用。

如何推动金属增材制造多材料和多工艺融合发展，充分发挥增材制造技术的潜力，综合运用多种工艺突破单一技术的制造极限，正在美国和欧洲地区获得关注。

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