2023 年 3 月，美国宇航局从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队站发射了相对论太空人族 1 号火箭。这是完全由 3D 打印部件制成的测试火箭的首次发射，其中包括由创新铜合金制成的多个发动机，可承受高达 6,000 °F 的温度。

该铜基合金系列由 NASA 格伦研究中心创建，称为格伦研究铜 (GRCop)，设计用于高性能火箭发动机的燃烧室。David Ellis 是格伦研究中心的材料研究工程师，自 20 世纪 80 年代末以来一直监督 GRCop 的开发。

GRCop 是铜、铬和铌的合金。它专为高强度、高导热性和高抗蠕变性而设计，使其成为高温应用的理想选择。GRCop 能够抵抗极端温度，从而带来更高性能的组件和更高的可重用性，并节省大量成本。

“例如，我们的研究表明，GRCop-84 可以轻松实现维护服务期间 100 次任务和发动机寿命 500 次任务的目标，”埃利斯说。

 采用附加方法

研究人员利用冶金原理设计了最新的合金并确定了最佳的成分。选择铜是因为其导热性和高熔点。选择铬和铌分别是因为它们在液体和固体铜中的溶解度高和低。 

“我们利用对合金系统的热力学理解和稍微过量的铬来克服潜在的氢脆问题，”埃利斯说。“我们的团队还发现并消除了诸如百万分之 200-250 的铁会降低热导率等问题。我们还利用对系统中材料的了解找到了防止耐火陶瓷腐蚀的方法。”

合金设计最难的部分是合金的熔化和雾化。“为了获得均匀的熔体，我们必须将温度提高到 1750 °C 以上。铌会侵蚀氧化铝并腐蚀坩埚和中间包，”埃利斯解释道。“一旦获得均匀的熔体，必须以 >104 K/秒的速度冷却，否则铬铌将生长到 1 厘米大，而我们需要它小于 1 微米以提供强化。”

GRCop 合金非常稳定。在这些实验中，即使暴露在高达其熔点 98% 的温度下，它们仍保留了大部分特性。

“与其他铜基合金相比，GRCop 合金更容易使用激光粉末床熔融打印，”埃利斯补充道。“它们具有优异的性能，例如高达 400 °C 的拉伸强度。”

该团队还担心内衬通道的表面粗糙度。粗糙度增加了压降，但也增加了热流，基本上相互平衡。尽管表面非常粗糙，研究人员仍然能够实现可接受的疲劳性能。

GRCop 合金是 3D 打印火箭成功的关键原因。

2023 年 3 月发射时人族 1 号火箭排气的图像。图片来源：NASA

“节省的成本和时间远远超出我们的预期，”埃利斯说。“例如，我们证明了夹套内衬的制造时间减少了 58% 至 68%，成本减少了 27% 至 32%。马歇尔太空飞行中心的一位高级经理告诉我，这是他们第一次看到一个项目，他认为该项目真正有望减少时间和成本。”

该团队成功地利用激光粉末床熔融技术，从熔融合金中制造出弥散强化材料，以熔化元素粉末并创建 GRCop 合金。

埃利斯说：“我们希望有一天能够提供特定地点的组合，最大限度地发挥设计的最重要特性。” “对于机械工程师来说，这意味着调整整个零件的材料特性以优化设计的潜在能力。”

GRCop 合金即将商业化。Ellis 的团队正在编写一份最终报告，详细介绍商业生产的 GRCop-42 和 GRCop-84 的机械和热物理特性的自然变化，以在可预见的未来为商业用户提供支持。

在高温散热器和其他热控制应用中更广泛采用 GRCop 的主要障碍是粉末的成本。随着成本下降，高温电子设备和热交换器（空气对空气、液体对空气、液体对液体）等应用将变得更加便宜。

“增材制造的使用可以产生独特的设计，从而提高设计的热流和效率，”埃利斯总结道。

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