根據3D科學谷《航空部件的穩健金屬增材製造工藝選擇和開發》一文，當涉及到複雜航空零部件的3D列印-增材製造時，例如。包括複雜的（合金）成分，由超級合金製成的渦輪機的耐高溫部件需要提供出色的機械強度、抗熱蠕變變形、良好的表面穩定性以及抗腐蝕或抗氧化性。因此，高溫合金部件的開發在很大程度上依賴於物理、化學，尤其是工藝創新。顯然，增材製造 (AM) 使得能夠開發用於極端推進環境的新型合金，在這方面，美國國家航空航天局 (NASA) 擁有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，這些合金的材料特性、熱火測試應用數據證明已經可用。結合《Advancement of extreme environment additively manufactured alloys for next generation space propulsion applications》論文，3D科學谷與谷友一起洞悉洞悉NASA的3D列印合金「家族」的3D列印工藝、集成計算材料工程（ICME）、及各種合金的性能。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009457652300334X
/ 增材製造工藝及開發
AM增材製造及相關步驟包括幾個關鍵環節，包括零件和構建的設計和分析、AM-增材製造構建流程以及參數輸入（包括原料和構建參數）、後處理以及最終在零件投入使用之前的驗證和認證。後處理可能去除粉末、去除支撐、去除構建板、熱處理（即應力消除、熱等靜壓 (HIP)、固溶、老化等）、清潔、檢查、CNC機械加工、拋光等。新型增材製造合金的成功開發整合了上述所有步驟。
3D科學谷白皮書
L-PBF 選區雷射熔融金屬3D列印工藝最常用於加工具有精細特徵的組件，但總體構建體積有限。當前NASA的GRCop-42、GRCop-84、GRX-810、C-103 均採用 L-PBF，因為這些合金用於需要小特徵解析度的組件，例如燃燒室和噴射器。
NASA HR-1 材料製造的噴嘴測試
NASA
另一種用於製造定製NASA 合金的主要增材製造工藝是DED定向能量沉積工藝，根據原料和能源（即雷射、電子束、電弧）有多種變化。最常見的DED 方法是雷射粉末定向能量沉積 (LP-DED)，可提供中等解析度特徵，但構建體積特別大。當前NASA HR-1 和 JBK-75 合金通過LP-DED雷射粉末定向能量沉積工藝加工，從而能夠建造大型整體通道壁火箭噴嘴。GRCop-42 和 C-103 也已使用LP-DED雷射粉末定向能量沉積工藝加工，此外，GRX-810 LP-DED 的定向能量沉積3D列印開發計劃已到位。
根據3D科學谷《NASA劃時代的旋轉爆震火箭發動機，如何化解極端要求下的三大技術挑戰？》一文，燃燒室與噴管集成的關鍵技術挑戰之一是開發雙金屬增材製造，雙金屬的開發集中在銅合金（特別是GRCop-42或GRCop-84）和高溫合金的耦合上。雙金屬的開發集中在徑向沉積上，第二個方面是燃燒室和噴管之間的軸向接頭。軸向沉積發展的主要目標是表征和定義適當的介面所需的材料。
通過DED定向能量沉積增材製造工藝在GRCop-42銅腔室的後端沉積雙金屬材料，形成帶雙金屬軸向接頭的火箭推力室噴管，並實現連續冷卻，從而解決了一些設計挑戰和螺栓連接設計的接口問題，隨後通過碳纖維聚合物基復合材料（PMC）外包裝將整個推力室總成（TCA）進行外包裝。
L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術加工的銅合金燃燒室與DED定向能量沉積3D列印的集成中存在一些挑戰，例如，使用超級合金進行噴管焊接製備的最佳熱處理（即均質化和固溶化）所需的溫度要高於GRCop-42銅合金所能「容忍」的溫度。這需要對材料特性產生一些影響。集成過程中遇到的其他挑戰是操作順序，其中復合材料護套的溫度受到限制，大多數焊接和機加工操作必須在包裹前進行，以免造成損壞。
NASA在進行適當的風險管理的同時汲取了經驗與教訓。研發人員在GRCop-84銅合金推力室燃燒室的後端直接通過DED定向能量沉積3D列印技術加工JBK-75材料製造了燃燒室噴管。雙金屬接頭是通過L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術加工的，研發人員嘗試了各種將這些製造過程與複雜的接頭相結合的可行性，吸取了一些教訓，並對接縫進行一些重新設計，以提供足夠的材料並避免過度加熱。
為了解決散熱問題，NASA與行業合作夥伴共同開發了薄壁通道的設計，通過DED定向能量沉積3D列印技術加工內部冷卻通道。NASA積累了大量的經驗以選擇可能的設計選項，各種加工路徑策略以及確定的過程幾何形狀限制。
每種增材製造工藝都有獨特的屬性，並非所有新型合金都可以使用所有增材製造工藝製造。增材製造製造工藝的選擇對於成功生產零件以及充分實現增材製造帶來的經濟效益至關重要。如何選擇不同的增材製造工藝需要考慮的因素包括零件整體尺寸、零件複雜性、特徵解析度、工藝經濟性和可用性、工業成熟度、後處理以及冶金特性和性能。
/ 新型合金的 ICME 建模
集成計算材料工程（ICME）是一門變革性學科，它通過將材料信息與加工和性能相結合的計算方法實現快速材料開發。將 ICME 融入增材製造工作流程可帶來諸多好處，例如增材製造加工合金從最初配方到開發再到飛行認證零件生產的快速成熟。
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ICME 方法正在得到廣泛採用，這主要是由於材料開發成熟周期的縮短。NASA 正在利用此類方法開發具有最佳3D列印特性的新型合金，包括新型耐火合金的可列印性和氧化物彌散強化鎳基合金的增強機械性能。根據3D科學谷《透過NASA開發的氧化物彌散強化中熵合金，看3D列印高溫合金髮展》一文，NASA開發了氧化物彌散強化介質中熵合金 (LEW-TOPS-151)。氧化釔顆粒分散在整個合金中，以使用一種新的製造技術最大限度地提高高溫下的強度和抗蠕變性。NASA 的 ODS-MEA 可在高達 1100°C 的溫度下保持性能，並且在暴露於極端溫度時不易受到有害相變的影響，這是鎳基高溫合金如 Inconel-625 和 Inconel-718 普遍存在的問題。
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該技術採用聲學混合器在金屬基體粉末中攪拌納米級氧化釔粉末，在較大的金屬粉末顆粒周圍形成一層氧化釔膜。然後通過選區雷射熔化L-PBF金屬3D列印技術對該材料進行加工，在此期間，雷射將氧化釔顆粒分散在整個微結構中。最終，3D列印工藝消除了通過傳統機械合金化生產 ODS 合金的昂貴且耗時的步驟。
NASA 的工藝已被證明可以製造在 1100°C 時蠕變斷裂壽命提高 10 倍的組件，並且比目前使用 3D 列印部件的強度提高了 30%。新的 ODS-MEA 合金可以在目前使用 ODS 合金的地方找到應用（例如，那些涉及極端熱環境的應用），包括用於發電、推進（火箭、噴氣發動機等）、核能應用以及採礦和水泥生產行業的製備設備，燃氣輪機部件（提高進氣溫度可提高效率）等等。
第二個例子涉及NASA通過L-PBF選區雷射熔融金屬3D列印技術生產的NiCoCr ODS 合金。根據3D科學谷《（二）更堅固的高溫合金 l Nature上發表的NASA可耐高達1000度高溫的GRX-810材料開發、微觀結構與性能研究》一文，研究人員發現向 NiCoCr-ODS 中少量添加 Re 和 B 似乎略微提高了合金的強度。值得注意的是，與其他 ODS 合金相比，GRX-810 顯示出更高的強度和延展性；事實上，與 NiCoCr（這項研究的起點）相比，GRX-810 提供了兩倍的強度和三倍以上的延展性，使其成為一種更堅固的高溫合金。
一個令人驚訝的結果是非 ODS GRX-810 的強度，儘管它的延展性有限（與非 ODS NiCoCr 合金相比），但它似乎與成品 GRX-810 的強度相當。這一發現表明強度的提高是由於基礎成分，而氧化物是延展性提高的來源。
CALPHAD方法普遍認為是加速材料設計和開發的有用方法，CALPHAD類型的建模工具目前正被ICME從業者廣泛使用。構建CALPHAD建模工具所需的兩個支柱是軟體和熱力學資料庫。如果模擬涉及擴散控制的動力學過程，原子遷移率資料庫也很重要。從模擬中得出了一些值得注意的發現。很明顯，添加 Mo通常可以穩定不需要的相（例如 σ、μ），而 Ti 與 Nb 的比例對於 MC 碳化物的穩定至關重要，尤其是在 1093 °C 時。之前為增材製造開發的 ODS 合金表明，晶界氧化在極限拉伸強度和延展性變化中發揮著重要作用。反過來，MC碳化物的目標是提高晶界強化和抗氧化性。模擬表明，這種新組合物在適印性、強度、抗氧化性和相/微觀結構穩定性之間具有最佳平衡。
圖 . 計算預測GRX-810 在 800–1500° C 範圍內的相穩定性，預計在 810° C 以上不會形成有害相。
NASA
上面的兩個例子都提供了通過 ICME 方法實現的數千個虛擬實驗的快照。而無需創建數百個新粉末批次、無需製造數千個樣品。ICME材料開發技術正在慢慢應用於推進應用，未來仍然有巨大的機會將ICME融入下一代太空推進合金的開發周期。