TANIOBIS四激光系统打印无裂纹铌合金火箭喷嘴，孔隙率低于0.1%逼近批量生产

一个火箭发动机喷嘴从成型基板上取下来，没有裂纹。

这是TANIOBIS打印的铌合金演示件。

火箭发动机和高超声速系统的工作温度正在突破约1，050 °C，在这一温度下镍基高温合金开始软化，而铌合金是为数不多能够接替的材料之一。

粉末生产商TANIOBIS现在已经证明，其中的两种合金C-103和FS-85可以在工业规模上通过激光粉末床熔融（PBF-LB）进行加工。

在单激光AM400上开发的参数，仅需微调就能移植到四激光AM500Q上。零件孔隙率低于0.1%，光密度高于99.9%。

研究人员得出的结论是，这两种合金的部件已经不存在阻碍批量生产的技术障碍。

验证是从测试立方体开始的。

为验证大型设备上的一致性，团队使用四组最佳参数组合打印了52个立方体。他们把立方体随机分散在基板上，避免位置对结果产生偏差。

各处孔隙率均保持在0.3%以下，少数异常值最可能是由熔池飞溅造成的。

然后就是直径53 mm、高100 mm的喷嘴，无可见缺陷。

首批打印使用单激光，以建立可重复性。后续打印同时运行全部四台激光器，提高了产能，也更接近真实生产条件。C-103在AM500Q上的工艺窗口也拓宽到95至255 J/mm³。

团队比较了两台设备打印的拉伸试样，分别沿成型方向（XZ）和横向（XY）打印。试样直径为4 mm，标距长度为16 mm，按照ASTM E8标准以0.005 mm/mm/min的速率拉伸至断裂。

结果高度吻合。四激光系统的屈服强度和抗拉强度略低，研究人员将其归因于连续激光运行降低了残余应力。延伸率差异在误差范围内。

接下来看强度、延展性和高温下的表现。

两种合金各有取舍。

FS-85在室温下抗拉强度约为750 MPa，杨氏模量为137 GPa，而C-103分别为565 MPa和95 GPa。C-103断裂前延伸率为20%至22%，FS-85仅为6%至7%。

断口形貌与这些数据相符。FS-85沿晶界断裂，C-103则呈现典型的韧性断裂纤维状表面。热处理可将两种合金的延伸率提升至约30%，强度损失很小。与传统加工材料相比，打印试样通常强度更高，但延展性较低。

高温测试在电-热-力学测试（ETMT）系统中于氩气气氛下进行，温度高达1，600 °C。微型试样（2.0 × 1.0 mm²，标距长度14 mm）通过线切割加工，经抛光后在10⁻⁴ s⁻¹的恒定应变速率下进行三组重复测试。

FS-85在全温度范围内均优于C-103。在1，500 °C下，C-103几乎已无强度，而FS-85仍保持约220 MPa的抗拉强度和195 MPa的屈服强度。

打印态C-103大幅优于轧制态C-103，抗拉强度为557 MPa对420 MPa，屈服强度为462 MPa对296 MPa。这一优势在约800 °C以上随打印显微组织粗化而缩小，但在失效前从未消失。

EBSD分析解释了这些差异。轧制坯料晶粒均匀，平均约24 µm。打印态零件晶粒沿成型轴方向拉长，因此性能具有方向依赖性，这就是XZ试样延展性低于XY试样的原因。

在氩气中于1，900 °C保温两小时后，打印材料缓慢再结晶。研究人员将此归因于缺乏预变形和较高的氧含量。完全再结晶需要远高于熔点0.6倍的温度。

粉末本身和参数开发也值得说。

原料来自电极感应熔炼气雾化（EIGA），并筛分到15至63 µm。化学成分通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和燃烧分析验证，形貌通过扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）表征。

颗粒近乎完美球形，无团聚和卫星颗粒，这是获得良好流动性和致密成型件的条件。雾化过程中中等冷却速率产生的枝晶偏析确实出现在颗粒中，PBF-LB中快得多的凝固速度消除了偏析，留下均匀组织。

在AM400上，单熔道和10 mm立方体展示了激光功率、扫描速度和体积能量密度如何影响熔池和孔隙率。C-103可承受160至240 J/mm³，而FS-85需要更窄的105至125 J/mm³。参数优化将孔隙率从约1%降至0.06%，并改善了化学均匀性。

为什么非得是铌合金？

未来发动机的运行温度将远超1，000 °C，但镍基和钴基高温合金在1，050 °C以上开始蠕变和软化。铌、铪、钽、钼和钨等难熔金属的熔点介于2，200 °C至3，400 °C之间。

铌的突出之处在于，它的熔点有2，477 °C，密度只有8.57 g/cm³，热导率54 W/m·K，成形性也好。C-103成为首选牌号，因为它在强度和可加工性之间取得了平衡。

然而铌的机加工非常费力，因此它的应用主要局限于板材和棒材。增材制造消除了大部分机加工负担，让铌合金能够实现推进硬件所需的复杂近净成形几何形状。

真正的差距在鉴定。

打印本身已经不是最难的部分。

TANIOBIS的研究针对的是可打印性之后的下一步，证明这些合金的行为足够一致，可以通过飞行硬件的鉴定。该公司还采取措施扩大供应渠道，与Elmet Technologies这家公司签署协议，在北美分销其C-103和FS-85粉末。

其他公司正在从设备端解决同样的鉴定问题。Elmet近期安装了一台3D Systems DMP Flex 350 Triple，用于生产高超声速换热器。

这次安装基于与3D Systems应用创新小组在C103打印参数方面长达八年的联合开发，因为通过激光粉末床熔融加工该合金，需要异常严格的氧含量控制。

该设备将氧含量保持在25 ppm以下，通常为0至6 ppm，让粉末能在多次打印中重复使用而不降解，对昂贵的难熔合金来说，这是影响单件成本的关键因素。

在美国，Velo3D正在推进Amaero的C103铌粉末在其Sapphire设备上的鉴定。此前奥本大学NCAME确认，该粉末在2，200°F热处理后符合ASTM F3635 B类标准。

NCAME指出，C103粉末成本高达每公斤4，000美元。这个价格，也难怪大家都在想办法让粉末多打几次。

国防资金也在往剩下的空白里投。美国的America Makes和NCDMM这两家机构，向四个团队授予了600万美元，用于在PADAM 2.0框架下开发增材制造用难熔合金。资助课题涉及材料性能数据不完整、工艺变异性和供应链脆弱等问题。

目前限制铌增材制造的是鉴定，而非合金能否打印。TANIOBIS在多激光系统上对C-103和更强的FS-85均取得了可重复的结果，给行业还在积累的数据集添了一块重要内容。