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AM易道导语：
本文主要解读自NASA马歇尔航天飞行中心（MSFC）和格伦研究中心（GRC）联合发表的技术报告《GRCop-42 Development and Hot-fire Testing Using Additive Manufacturing Powder Bed Fusion for Channel-Cooled Combustion Chambers》。
该报告发表于2019年第55届AIAA/SAE/ASEE联合推进会议（文章编号：AIAA-2019-4228），由Paul R. Gradl、Chris Protz、Ken Cooper、Chance Garcia（来自NASA MSFC）以及David Ellis、Laura Evans（来自NASA GRC）等人共同完成。
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这份报告系统总结了NASA在GRCop-42铜合金开发、增材制造工艺优化及热火试验验证等方面的重要成果。
在全球航天竞争日益白热化的今天，推进系统的技术创新正在经历一场前所未有的创新。基于增材制造的材料创新正在改变着火箭发动机的制造规则。主角之一是NASA格伦研究中心历经近40年开发的GRCop系列铜合金。这项技术的突破性意义，远远超出了单纯材料创新的范畴，而是开创了一条从材料设计到增材制造工艺，再到工程应用的完整技术链条。在液体火箭发动机的所有部件中，燃烧室始终是最具挑战性的核心部件。![]()
在高性能发动机中，燃烧室衬里必须使用铜合金材料，这是因为需要高导热性来散发热量并将壁温降低到可接受的水平。
同时，材料还必须在工作温度下保持足够的强度以满足结构要求。
燃烧室材料面临的挑战包括：需要抵抗热循环和氧化还原循环过程中的烧蚀，在高温下长期稳定工作，并在高温环境中保持足够的强度。以广泛使用的NARloy-Z（Cu-3Ag-0.5Zr）为例，其导热性能虽然接近纯铜的80%，但在600℃以上的高温环境下，强度迅速下降，且抗氧化性能不足。这些局限性严重制约了发动机性能的提升。特别是在重复使用发动机领域，材料的疲劳性能和使用寿命成为关键瓶颈。要打破这一困境，需要从材料设计的基本原理出发，探索全新的强化机制。1987年，NASA启动了一项雄心勃勃的材料创新计划。这个计划的与众不同之处在于，研究人员没有沿用传统的合金开发思路，而是另辟蹊径，着眼于一个全新的材料体系：铜-铬-铌三元合金。这个选择材料学考虑是：铬和铌在铜中的固溶度极低，它们倾向于形成稳定的Cr2Nb金属间化合物。这种金属间化合物具有几个关键特性：熔点高达1730℃，热稳定性极好，且与铜基体的热膨胀系数相近。研究团队系统探索了不同的合金配比，重点关注Cr含量在2-10原子百分比、Nb含量在1-5原子百分比的成分范围。进行详尽的性能评价后，最终确定了两个最具潜力的配比：Cu-8at%Cr-4at%Nb（后命名为GRCop-84）和Cu-4at%Cr-2at%Nb（后命名为GRCop-42）。![]()
对照Table 1的详细数据，GRCop-42的成分设计体现了精确的材料学控制：铬含量严格控制在3.1-3.4重量百分比，铌含量维持在2.7-3.0重量百分比，更关键的是将铁含量控制在50ppm以下，氧含量目标值不超过400ppm。在第二代可重复使用运载火箭项目研究中，科研人员意外发现：当铁含量从200-250ppm降低到50ppm以下时，GRCop-84的导热系数提高了约10 W/mK。![]()
Figure 1展示的导热率测试结果揭示了GRCop-42最引人注目的优势。在室温条件下，其导热系数就达到了国际退火铜标准（IACS）的85%，较GRCop-84提升了近10个百分点。当温度达到400℃以上时，GRCop-42的导热系数维持在IACS的90%以上，这个水平已经接近一些低合金铜材料如Cu-1Cr和AMZIRC（Cu-0.1Zr）。激光闪照法测试（Figure 15）进一步证实了这一性能优势在增材制造构件上的保持性。![]()
在从室温到800℃的整个测试温度范围内，SLM工艺制造的GRCop-42始终保持着比GRCop-84高5-8%的导热系数。这种显著的导热性能提升源于两个方面的创新：首先是降低了总的合金元素含量，减少了对铜基体导电电子的散射；其次是严格控制铁含量在50ppm以下，最大限度地保持了基体的本征导热性。深入分析Figure 6至9的拉伸性能数据，GRCop-42展现出独特的强度-温度依赖特性。![]()
在室温至600℃区间，其0.2%屈服强度从约200MPa逐渐降低至150MPa，虽然低于GRCop-84，但仍然保持在设计所需的水平。
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特别值得注意的是，当温度超过600℃时，两种合金的强度趋于一致。这种现象反映了一个重要机理：在高温区域，纯铜基体的性能起主导作用，而第二相的体积分数影响相对减弱。
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延伸率数据则带来了一个惊喜：GRCop-42在整个测试温度范围内都保持在25%以上，某些温度点甚至接近30%。这种优异的塑性变形能力为材料在服役过程中提供了充足的应变容限。
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Figure 9展示了两种材料在-400℃至1000℃温度范围内的断面收缩率数据，数据表明GRCop-42在整个温度区间都表现出优于GRCop-84的塑性变形能力，这种优异的高温塑性对于承受热循环载荷的燃烧室应用极其有利。应力-应变曲线（下面的Figure 17和18）更直观地展示了这一特性，经过热等静压处理的样件不仅展现出优异的强度-韧性匹配，更重要的是表现出不错的批次一致性，这对工程应用至关重要。
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作为火箭发动机燃烧室材料，低周疲劳性能可能是最关键的性能指标之一。Figure 2和3的疲劳测试数据打破了传统认知：在室温至600℃的宽广温度范围内，GRCop-42展现出与GRCop-84完全相当的疲劳寿命。![]()
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特别是在0.7%总应变范围下，两种材料的性能曲线几乎完全重合。这一发现具有重要的工程意义，因为实际服役中的应变水平通常就在这个范围内。更深入的应力分析（Figure 4）揭示了一个有利的特征：在相同的应变条件下，GRCop-42所需的应力幅值明显低于GRCop-84，这种差异随着温度升高而更加显著。![]()
这意味着在实际的热循环工况下，GRCop-42承受的内部损伤更小，有利于延长使用寿命。塑性应变分析数据进一步支持了这一推断：两种材料在相同总应变下的塑性变形量相近，但GRCop-42所需的应力更低，这种特性对于承受热循环载荷的燃烧室来说具有特殊的价值。Figure 5的热膨胀曲线揭示了材料设计中的一个微妙平衡。![]()
GRCop-42的线性热膨胀率略高于GRCop-84，这与材料中Cr2Nb相的含量直接相关。由于Cr2Nb相具有比铜基体更低的热膨胀系数，其含量的减少导致了整体热膨胀系数的轻微上升。这个特性需要在工程设计中予以特别关注：虽然更高的导热系数有助于降低温度梯度，但较大的热膨胀系数意味着在相同温度差下会产生更大的热应变。这可能需要通过优化冷却通道设计来实现最佳的性能平衡。
蠕变性能的深入评估
高温蠕变性能的研究结果（Figure 10和11）揭示了一个令人振奋的发现。![]()
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在500-800℃的温度范围内，尽管GRCop-42的Cr2Nb相含量仅为GRCop-84的一半，但两种材料的蠕变率和断裂寿命却极为接近。实验结果表明，即使降低到7vol%的Cr2Nb相含量，GRCop-42中的析出物仍然能够提供足够的晶界强化效果，为材料提供良好的高温蠕变性能。这主要是因为这些析出物能够有效地阻止晶界滑移和晶粒长大，同时可能抑制了晶界扩散。AM易道认为，GRCop-42在增材制造领域的成功是建立在NASA团队系统的工艺研究基础之上。最初的工艺开发始于Concept Laser M2设备，这台设备配备了400W激光器和惰性气体手套箱，为铜合金的工艺开发提供了理想的平台。![]()
Figure 19展示了在Concept M2设备上制造的GRCop-42特征验证样件。这个样件被特意设计用来验证材料在不同几何特征下的成形能力。![]()
工艺优化的第一个重大突破来自于层厚策略的创新。
传统的GRCop-84工艺采用30微米的层厚，这种保守的参数虽然可以获得良好的致密度，但严重影响了生产效率。研究人员注意到GRCop-42优异的导热性为工艺优化提供了新的可能。通过系统的参数优化，成功将层厚提升到45微米，这一改进使得打印效率提高了约20%。最重要的是，即便在更大的层厚下，材料仍然保持了99.2%以上的致密度。表面质量的精确控制
冷却通道的表面质量直接影响着燃烧室的传热效率和流动损失。Figure 14展示的表面粗糙度研究揭示了激光功率和扫描速度对表面质量的系统影响。![]()
研究发现，随着激光功率和扫描速度的增加，表面粗糙度呈现出明显的变化趋势。通过优化这些参数的组合，成功将表面粗糙度控制在350μin以下，这一水平完全满足了燃烧室冷却通道的设计要求。更重要的是，这种表面质量控制策略在内表面和外表面的轮廓扫描中都表现出良好的可重复性。研究人员还发现内外轮廓的打印顺序会影响最终的表面质量，这一发现为后续的工艺优化提供了新的方向。力学性能的工艺验证
初期工艺开发阶段，研究团队使用来自多个供应商的粉末，在Concept Laser M2设备上进行了系统的工艺验证。
Table 2的数据清晰地展示了各供应商粉末的性能差异：
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这一发现具有重要的工艺指导意义，证实了细粉组分对材料性能的关键影响。
大尺寸构件的工艺放大
从实验室级别的工艺验证到工程应用，设备规模的放大是一个关键挑战。
研究表明，GRCop-42在向EOS M400等大型设备转移时，展现出优异的工艺适应性。
Table 3的系统对比数据揭示SLM工艺不仅成功复现了传统挤压工艺的性能水平，在某些关键指标上甚至实现了突破。
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GRCop-84在SLM工艺(Concept M2)下实现了全面的性能提升：抗拉强度从挤压工艺的53.4ksi提升至56.6ksi，延伸率从27%提高到30%。
GRCop-42展现出更为引人注目的工艺适应性。从传统挤压工艺（抗拉强度51.3ksi、延伸率30%）到SLM工艺，材料保持了极其稳定的性能输出。
特别是在向大型EOS M400设备转移后，延伸率进一步提升至33.6%，这一数据不仅验证了工艺的可靠性，更为大尺寸构件的制造提供了有力支撑。
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Figure 30展示的大尺寸燃烧室：成功实现了最大直径约15英寸的30k磅推力级燃烧室和高度约14英寸的着陆器级燃烧室的整体打印。
GRCop-42的粉末制备过程体现了极其严格的质量控制理念。研究发现，相比GRCop-84，较低的合金元素含量不仅简化了粉末制备工艺，还显著降低了雾化过程中喷嘴堵塞的风险。但这并不意味着可以放松质量控制，相反，研究团队建立了更加严格的粉末制备规范。铜原料必须达到ASTM B 170 Grade 1标准，纯度不低于99.99%；铬要求99.8%以上的纯度；铌则需要达到99.5%的纯度标准。特别注意的是铁含量控制，因为这是影响最终导热性能的关键因素。同时，还要严格控制铌中溶解的氧含量，因为这会影响最终粉末的氧含量。
粉末制备过程中须采用氩气保护雾化工艺，而不能使用氮气雾化。五、工程应用的系统验证
创新的燃烧室设计
Figure 20展示的滑套式燃烧室设计是增材制造与工程创新的完美结合。
这种设计采用了模块化思路，将承压壳体与热端衬里分离，既便于试验验证，又提高了设计灵活性。
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最具创新性的是冷却通道的设计：通过SLM工艺直接将通道整体打印在衬里上，完全消除了传统工艺中通道封闭的难点。
Figure 21展示了一个仍然附着在构建板上的SLM制造的GRCop-42燃烧室衬里。
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从图片中可以清晰看到，衬里表面光洁度良好，几何轮廓精确，特别是内部的冷却通道结构被完整地一体化制造出来，无需后续的通道封闭工艺。
这种制造能力的实现，标志着GRCop-42的SLM工艺已经达到了可靠的工程应用水平。
系统的热火试验验证
两个SLM制造的GRCop-42燃烧室完成了极其严苛的热火试验。
根据Table 4的统计，试验共完成188次点火，累计运行时间达8,030秒。其中1号试验件完成了168次点火、7,400秒的考验，2号试验件完成20次点火、630秒的运行。
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最苛刻的工况包括：
燃烧室压力达到1,224psig
混合比最高达到8.01
单次连续运行时间超过180秒
单次试验最多完成7个完整的启动-关机循环
Figure 22展现了试验过程中燃烧室工作的壮观场景：明亮的排气羽流清晰可见，这是在PJ038循环试验期间1号衬里在主工况下运行的瞬间。![]()
从图片中可以看到，燃烧室工作状态稳定，羽流形态规则，这直观地反映了SLM工艺制造的GRCop-42燃烧室具有良好的工作特性。Figure 23的长时间试验数据展现了燃烧室在稳态工况下的优异表现。![]()
喷管出口压力、温度以及燃烧室压力等关键参数始终保持稳定，没有出现任何异常波动。而Figure 24记录的循环试验数据则更具挑战性：在单次试验中完成7个完整的启动-关机循环，每个循环都展现出稳定的特性，这充分验证了材料在热循环载荷下的可靠性。![]()
深入分析Figure 25-26的性能数据发现，两个试验件表现出极高的一致性：![]()
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热负荷特性研究
Figure 27的热负荷数据分析揭示了一个有趣的现象。使用TEA/TEB点火系统后，测得的热负荷随试验次数增加呈现出轻微的下降趋势。
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这种现象在两个试验件上都被观察到，深入研究发现这与TEA/TEB燃烧产物在壁面的沉积有关。试验后的详细检查（Figure 28和29）提供了材料服役行为的直观证据。![]()
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即使在最苛刻的高压力、高混合比工况下，燃烧室内壁也保持了良好的表面状态，没有出现任何氧化或开裂现象。壁面温度最高达到1,340°F（约727℃），这个温度水平对常规铜合金来说已经相当苛刻，但GRCop-42表现出色，没有出现任何氧化或结构损伤的迹象。TEA/TEB的灰分沉积主要集中在喉部上游区域，对发动机性能的影响有限。这种优异的服役表现，直接验证了材料设计的科学性和工艺控制的有效性。AM易道认为，GRCop-42技术的成功开发具有深远的战略意义。它不仅在材料性能上实现了突破，更重要的是建立了一套从粉末制备到增材制造，再到工程应用的完整体系。
AM易道认为，未来的研究方向可能会围绕以下几个方面展开：首先是成分优化的进一步探索。目前的研究表明，在保持Cr:Nb原子比约为2:1的前提下，可能还存在降低总合金含量的空间。这种优化不仅可能带来导热性能的进一步提升，还可能简化制备工艺，降低成本。特别是考虑到在600℃以上的高温区域，材料强度主要受纯铜基体控制的特点，这种优化的可行性值得深入研究。其次是显微组织控制的精确调控。研究发现，细粉含量对材料性能有显著影响，这暗示着Cr2Nb相的尺寸分布和空间排布对性能具有重要影响。通过优化粉末制备工艺和热处理制度，可能实现显微组织的进一步优化。在增材制造工艺方面，NASA已经启动了多个重要项目，包括发动机先进制造项目（Engine Advanced Manufacturing）、快速分析与制造推进技术（RAMPT）项目等。这些项目的核心目标是推动GRCop-42技术向更大尺寸、更高性能方向发展。从应用端来看，NASA的应用实践表明，GRCop-42技术的潜力远不限于传统的火箭发动机燃烧室。大部分推进系统如在月球着陆器、核热推进、重复使用发动机都可使用，比如：AM易道认为，随着人类航天活动的持续升温，推进系统的技术创新将继续深化。而GRCop-42的成功继续启示我们从基础科学出发、坚持底层创新，而实现真正的技术突破。![]()
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