3D打印火箭引擎84次点火之后：GRX-810制霸

本文简述分享NASA3D打印发动机新型高温合金GRX810系列价值分析。

在航空航天领域，材料科学的每一次突破都可能带来新变革。

对于增材制造领域亦如此。耐热往往在镍基高温合金里摸索，散热则需要在铜合金里开发，并且材料本身还能在LPBF的工艺窗口下制造出合格的零件。

2022年NASA发布的一种名为GRX-810的新型超级合金问世，和之前分享过CRCop系列材料均为NASA金属3D打印的材料核心，同样也出自NASA的格伦研究中心。

从上面这个NASA图可以看出，之前分享的GRcop42材料用于燃烧室，而本文分享的GRX810则用于喷管及喷注器另外两个火箭发动机的核心构建。

AM易道可以说，深度掌握GRCop铜合金以及GRX810高温合金就等于了解了NASA近30年的火箭发动机的3D打印材料内核。

而在2024年，这项技术的商业化进程正式启动，NASA与四家美国公司签署授权协议，标志着这项材料及其3D打印应用可能将走向更广阔的应用场景。

今天这篇文章，AM易道将对该材料做一个简述，之后有机会再从学术角度分享这个材料的更多信息。

新材料的新界限

在航空航天领域，寻找能够在极端条件下保持优异性能的材料一直是一项重大挑战。

传统的镍基合金虽然表现不俗，但在日益苛刻的应用环境下逐渐显露出局限性。

NASA的研究团队希望找到一种能够真正突破这些限制的解决方案，而GRX-810的诞生，正是对这一追求的完美答案。

这种新型氧化物弥散强化（ODS）合金的性能指标非常可观：

在2,000华氏度（约1,100摄氏度）的极端温度下，它展现出了前所未有的性能优势。

相较于现有的镍基合金，约算，GRX-810抗断裂强度提升1倍，延展性提高3.5倍，在高温应力下的使用寿命更是延长了超过1,000倍。

具体数值将在之后文章逐步分享。

更重要的是，它的抗氧化能力是传统镍基合金的2倍。

上面这幅图就非常明显的可以看出区别，LOX/LCH4（液氧/液态甲烷）热火试验结果对比：

(a) Inconel 625材料制造的喷射器在经过10次测试后出现明显的侵蚀、 (b) GRX-810材料制造的喷射器在经过13次测试后的状态、(c) GRX-810材料制造的喷射器在经过84次测试后仅出现轻微褪色现象

这项对比测试非常有说服力，直观地证明了GRX-810在极端工作环境下具有显著优于传统超级合金的耐久性和可靠性，特别是在火箭发动机这样的苛刻应用场景中。

其核心在于纳米级氧化物颗粒的创新应用，正如NASA的Dale Hopkins所说："纳米级氧化物颗粒赋予了这种合金令人难以置信的性能优势。"

创新的材料设计与制造工艺

该团队应用热力学建模并利用3D打印技术开发出具有这一突破性性能的新型高温合金。 

“应用这两种工艺大大加快了我们材料开发的速度。我们现在可以生产出比以前更快、性能更好的新材料，”美国宇航局克利夫兰格伦研究中心的材料研究科学家、这种新合金的发明者之一蒂姆·史密斯说。

GRX-810的研发过程体现了现代材料科学的创新方法。

研究团队通过集成计算材料工程技术通过3D打印快速验证，专注于开发一类具有卓越耐温和抗氧化性能的新材料。

这种方法使得他们能够在短短30次模拟后就确定了最优的合金成分配比，将传统的反复试错过程从数年缩短到数周或数月。

在制造工艺方面，团队开发出了一种创新的粉末处理技术。

具体来说，他们通过特殊工艺将重量比不到1%的氧化钇（Y2O3）纳米颗粒均匀涂覆在预合金基础粉末表面。(下图的小黑点)

制造测试过程采用了EOS M280激光粉末床熔融（PBF-LB）设备，使用Praxair公司提供的粉末原料。

在后处理方面，采用单次热等静压（HIP）热处理工艺，这一工艺的独特之处在于能够有效控制晶粒生长，从而进一步增强材料的结构完整性。

实战验证：从实验室到发动机

理论性能固然重要，但真正的考验在于实际应用。

如上图所示，在真正用于热火测试之前，打印完的GRX810喷注器还需要进行一系列系统工序：其中包括清粉、HIP、流量测试、抛光、安装等。

2024年年初，NASA在马歇尔航天飞行中心进行的一系列热火试验，有力证明了GRX-810的实战价值。

使用液氧/液氢（LOX/LH2）和液氧/液甲烷（LOX/LCH4）推进剂的测试中，GRX-810制造的喷射器和喷嘴展现出了卓越的性能。

具体来说，喷射器在37.4至57.2bar的压力范围内累计运行了3,117秒，而喷嘴的总运行时间更是超过了2,458秒。

这些数据不仅证明了GRX-810在极端环境下的可靠性，更展示了它在实际应用中的巨大潜力。

这些测试是在NASA的"优化和可重复组件使用增材制造"（ORCA）开发项目和"第四次工业革命反应性增材制造"（RAMFIRE）合作项目框架下进行的。

测试结果不仅验证了材料性能，更为其在火箭发动机等关键应用场景中的推广奠定了基础。

商业化：从实验室走向市场

认识到GRX-810的巨大商业潜力，NASA迅速启动了技术转移计划。

2024年5月，NASA宣布与四家美国公司签署共同独占许可协议，这些公司分别是：

• 宾夕法尼亚州的Carpenter Technology Corporation；

• 科罗拉多州的Elementum 3D公司；

• 印第安纳州的Linde Advanced Material Technologies公司；

• 俄亥俄州的Powder Alloy Corporation。

  
  

NASA格伦研究中心的许可经理Amy Hiltabidel强调：

"NASA投入纳税人的资金进行研究，目的是为美国带来直接利益，通过专利许可将这些技术转移给工业界。"

此技术转移模式能确保创新成果的快速产业化，也被认为是能为美国航空航天工业带来持续竞争优势的重要举措。

航空航天工业的影响深远

GRX-810的影响不止于技术层面。

NASA的Transformational Tools and Technologies项目副经理Dale Hopkins指出，采用这种合金将带来更可持续的航空和空间探索。

这是因为使用GRX-810制造的喷气发动机和火箭部件将通过更长的使用寿命和更高的燃料效率来降低运营成本。

从成本效益的角度来看，更长的部件寿命意味着更少的维护和更换需求，更高的工作温度则带来更好的发动机效率。

这不仅能降低运营成本，更能减少碳排放，推动航空航天工业的可持续发展。

GRX-810的应用范围远超最初设想。目前已确认的潜在应用领域包括：

• 液体火箭发动机喷射器

• 预燃室组件

• 涡轮部件

• 发动机燃烧室（燃料-空气混合器）

• 高温截面部件

• 再生冷却喷嘴

• 涡轮叶片（带有集成式仪表端口）

• 带导流罩的涡轮盘

• 带内部特征的诱导器
  
  

这些应用都得益于GRX-810独特的性能组合：

极高的耐温性、优异的强度、出色的延展性以及卓越的抗氧化性能。

特别是在航空发动机应用中，这些特性直接转化为更高的燃料效率和更低的维护成本。

未来展望：开启新的可能

虽然GRX-810已经展现出令人瞩目的成就，但研究团队并未就此止步。

研究团队目前正在推进多个方向的技术优化：

• 扩大GRX-810合金粉末原料的生产规模

  
  

• 同时探索PBF-LB和激光粉末定向能量沉积（DED）两种制造工艺的大规模应用可能

  
  

• 针对不同应用场景优化工艺参数

  
  

• 开发新的后处理方案以进一步提升性能
  
  

特别值得注意的是，NASA已经启动了一系列研究计划，探索该材料在航空航天之外的应用潜力，尤其是在能源行业的高温、高压应用场景。

这种跨领域的应用探索，将进一步扩大GRX-810的影响力。

如果读者对此材料有更多见解或者应用设想，欢迎在评论区或者在25年的TCT在展会现场与我们交流讨论。

（正文内容结束）

     
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