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？》一文中分享過NASA 開發的銅合金 GRCop-84 (Cu-8Cr-4 Nb at%) 和 GRCop-42 (Cu-4Cr-2 Nb at%) ，NASA的研究表明，GRCop-84 銅合金燃燒室襯裡可以輕鬆實現 100 次維護服務之間和 500 次發動機壽命任務的目標。最近，作為研究項目的一部分，NASA對這些材料在高溫下具有高導熱性和高機械性能進行了研究。
熱物理特徵研究
@NASA
/ 建立工藝能力與設計指南
當前，由於 L-PBF 選區雷射熔化金屬3D列印加工參數和由此產生的微觀結構並不具備一定的可複製性，不能很好地「移植」到生產環境，因此了解多台機器和粉末化學成分之間的變化對於實現高度監管行業的工業3D列印應用至關重要。因此，NASA此項研究的重點是熱物理性質的變化，這些變化可用於建立工藝能力和設計指南，以進行持續的商業用途和進一步的研究。
GRCop-84 和 GRCop-42這些合金的基體幾乎是純銅，因此具有導電性和導熱性，旨在實現火箭發動機燃燒室襯裡的再生冷卻。特別是 GRCop-84，可以提供針對 500–800 °C 優化的微觀結構穩定性、抗蠕變性、良好的導熱性、良好的低循環疲勞壽命和高拉伸強度。
GRCop-84銅襯裡
@3D科學谷白皮書
問題是，由於大多數材料在加熱時都會膨脹，這種熱膨脹會給火箭發動機襯套帶來故障問題：
熱引起的應力：襯裡通常受到保持相對涼爽的高強度護套的約束。襯裡不能自由膨脹，熱膨脹會產生熱感應應力。
這些熱應力導致材料永久變形，從而永久改變襯裡的形狀。這可能包括所謂的「狗窩」效應，它可能導致冷卻通道內的熱壁失效。
低循環疲勞 (LCF)：燃燒室襯裡反覆循環以進行鑑定或運行。襯裡將因熱膨脹而局部承受超過 1% 的重複應變。這是造成襯管故障的主要原因之一
為了實現所需的微觀結構、熱物理性能和機械性能，GRCop 合金在凝固過程中需要高冷卻速率。
/ 熱導率和熱膨脹測試
在這項研究中，GRCop-42 和 GRCop-84 銅合金特徵試驗品由八個不同的供應商利用雷射粉床熔融 (L-PBF) 3D列印工藝生產。每個供應商都採用其特定的 L-PBF 雷射粉床熔融設備以及略有不同的加工參數（通常被認為是專有的）來製造試驗品。在 25–700°C 的溫度範圍內建立了方程來預測熱導率，並在 20–1000°C 的溫度範圍內建立了 CTE熱膨脹係數測試（平均和瞬時）。
對於不同的粉末源和不同的L-PBF系統/參數，GRCop熱導率的變化高達平均值的±4％左右， 這些微小的變化可以部分地由合金元素含量的差異來解釋。
平均CTE熱膨脹係數和瞬時CTE熱膨脹係數的結果均顯示樣品之間具有極好的一致性，並且值的變化非常小，基於這些結果，可以得出結論無論起始粉末、參數或機器如何，增材製造的GRCop-42 和 GRCop-84 的熱膨脹性能都具有出色的再現性。
結果表明，通過雷射粉床熔融 (L-PBF) 3D列印工藝生產的GRCop-42 和GRCop-84 銅合金的熱物理性能表現出高度可重複的結果，與加工參數、粉末原料差異和機器類型無關。這意味著零件內部和零件之間的一致性，並使設計人員更有信心在3D列印製造過程中提高可靠性並降低風險。
@NASA
GRCop-42 樣品的熱導率表現出 ±?4% 的變化，樣品之間的這種額外變化可能與溶解在銅基質中的溶質原子的量有關。雖然沒有發現明確的相關性，但事實證明這些因素可能是重要因素。需要採用全面的原子尺度和微觀尺度研究，以充分闡明熱導率的變化。
對於AM增材製造的GRCop-42 和 GRCop-84 樣品，熱膨脹行為在統計上存在顯著差異，但每種合金的熱膨脹行為是一致的。大部分的熱膨脹較低，這將帶來較低的熱致應力、較少的熱應變將帶來較低的故障率。
重要的是要認識到，雖然雷射粉床熔融 (L-PBF) 3D列印工藝製造的零件可以在受控實驗室環境中成功構建，但到生產環境的轉換並不總是無縫的。許多機器和粉末批次之間存在差異，因此需要全面了解彼此獨立運營的多個供應商之間的性能差異。整個商業供應鏈的可重複性和再現性對於設計師來說至關重要，旨在確保零件符合預期的性能和操作要求。
具體來說，熱導率和熱膨脹的考慮在3D列印設計過程中顯得至關重要。通過利用熱性能變化的知識，可以建立工藝能力和設計指南，以促進持續的商業利用和進一步的研究工作。