2022年4月21日，航天器材料不僅性能要求先進(jìn)——它們還必須承受高水平的熱量、摩擦和壓力等。為了克服這些挑戰(zhàn)，建造航天器及其不同部件需要堅(jiān)固耐用的材料。最近，美國宇航局格倫研究中心的科學(xué)家們開發(fā)了一種革命性的金屬合金，該合金有可能使航天器和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件在極端條件下更加高效和可靠。

△渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器（燃料-空氣混合器）是由NASA Glenn使用3D打印而成。圖片來自美國國家航空航天局

新合金是在NASA 航空研究任務(wù)理事會(huì) (ARMD) 運(yùn)營的轉(zhuǎn)型工具和技術(shù) (TTT) 項(xiàng)目下使用3D打印制造的。TTT 一直參與為NASA開發(fā)各種其他高科技計(jì)算和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。GRX-810可以持續(xù)承受超過1090°C的高溫?？捎糜谥圃旎鸺蜏u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，并應(yīng)用于運(yùn)載火箭、洲際彈道導(dǎo)彈、導(dǎo)彈、商用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、高超音速等等。它還繼承了NASA及其噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的其他開創(chuàng)性工作，例如用于發(fā)動(dòng)機(jī)的GRCo-84銅合金。

NASA指出GRX-810還具有以下特點(diǎn)，

*抗壓強(qiáng)度是之前的二倍

*合金的拉伸力/彎曲靈活性是以前的三倍半

*在高溫應(yīng)力下的耐久性超過1000倍

“開發(fā)納米級氧化物顆粒合金具獲得難以置信的性能優(yōu)勢。這一突破對于材料開發(fā)來說是革命性的。更堅(jiān)固、更輕的材料將為美國宇航局未來發(fā)展起到重要的意義。以前，抗拉強(qiáng)度的提高通常會(huì)降低材料在斷裂前的拉伸和彎曲能力，現(xiàn)在的新合金已不在擔(dān)心這個(gè)問題，”NASA Glenn轉(zhuǎn)型工具和技術(shù)項(xiàng)目副項(xiàng)目經(jīng)理Dale Hopkins說。

△軋制合金特種金屬。圖片來自Pexels

這一消息對于3D打印行業(yè)來說具有雙重意義，因?yàn)?/span>GRX-810合金它可以用3D打印制造。NASA使用該技術(shù)“將納米級氧化物均勻地分散在整個(gè)合金中，從而提供更好的高溫性能和耐用性能”?，F(xiàn)在，NASA能夠以更低的成本和更可控的方式獲得ODS材料。如果用傳統(tǒng)工藝，需要使用球磨方法來制造。然而，現(xiàn)在僅使用3D打印和靜電沉積等方法，就可以設(shè)計(jì)出比其他方法制造方法性能更高的合金。實(shí)際上，3D打印還可以使這些材料更加通用，并使工程師實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)化的設(shè)計(jì)想法。

通過3D打印技術(shù)，NASA可以快速實(shí)現(xiàn)自己的想法。霍普金斯說：“過去需要數(shù)年的試錯(cuò)過程，現(xiàn)在僅需數(shù)周或數(shù)月即可實(shí)現(xiàn)。” 除了3D打印，該機(jī)構(gòu)還透露熱力學(xué)建模也是他們可以加速獲得GRX-810材料的關(guān)鍵點(diǎn)。其中計(jì)算熱力學(xué)用于建模和預(yù)測能源系統(tǒng)、燃燒和合適合金的開發(fā)。目前，3D打印已經(jīng)發(fā)展了幾十年，美國宇航局肯定會(huì)廣泛使用它，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室等其他政府機(jī)構(gòu)也是如此。

△NASA航天器示意圖。圖片來自3dprint

應(yīng)用這兩種工藝大大加快了我們材料開發(fā)的速度。我們現(xiàn)在可以任何時(shí)候更快、性能更好地生產(chǎn)新材料，”NASA 材料科學(xué)家Tim Smith說。3D打印不僅僅是一種生產(chǎn)技術(shù)，它還充當(dāng)了一種材料發(fā)現(xiàn)工具。該技術(shù)再次在高超音速競賽的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮作用，它或許可以成為高超音速滑翔飛行器開發(fā)下一代新材料的關(guān)鍵技術(shù)，特別是用于發(fā)動(dòng)機(jī)和蒙皮部件。

3D打印以前曾用于創(chuàng)建獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在它可以在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和零件之前設(shè)計(jì)材料本身。這可能意味著增材制造可以成為一個(gè)材料開發(fā)平臺，并且為精確應(yīng)用設(shè)計(jì)更為適合的材料，這個(gè)方向可能比我們許多人想象的要走得更遠(yuǎn)。

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