從實(shí)驗(yàn)室概念到現(xiàn)實(shí)：NASA的GRX-810 3D打印合金實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，步入應(yīng)用測(cè)試

2025年8月21日，南極熊獲悉，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）研發(fā)的高溫合金GRX-810已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，并進(jìn)入實(shí)際航空航天應(yīng)用的測(cè)試階段。該合金于2024年由NASA首次公布，此后便成為多場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)、多份數(shù)據(jù)表以及早期測(cè)試的焦點(diǎn)。而最新公告表明，它已不再是實(shí)驗(yàn)性材料。

新材料技術(shù)研發(fā)背景

火箭或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火時(shí)，相關(guān)部件需承受極端壓力。溫度可能會(huì)飆升至2,000°F（約1047°C），在這種高溫環(huán)境下，大多數(shù)金屬會(huì)迅速失去強(qiáng)度或發(fā)生斷裂。

△這種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室由格倫研究中心使用GRX-810合金3D打印而成

多年來(lái)，航空航天工程師一直依賴(lài)于昂貴的合金或復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)（如再生冷卻通道）來(lái)確保發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫下的穩(wěn)定運(yùn)行。NASA指出，在1,900°F至2,400°F的中等溫度范圍內(nèi)，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又適合3D打印的合金幾乎是不存在的。在NASA研發(fā)出GRX-810之前，面對(duì)高溫環(huán)境，工程師們的選擇僅限于昂貴的耐高溫合金。

如今，由美國(guó)宇航局克利夫蘭格倫研究中心開(kāi)發(fā)的GRX-810是一種專(zhuān)為3D打印設(shè)計(jì)的新型金屬，能夠承受火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和高速渦輪機(jī)內(nèi)部的極端條件。初步測(cè)試顯示，它使用壽命遠(yuǎn)超其它廉價(jià)合金，在某些情況下，它甚至能在2000°F（約1047°C）的高溫下持續(xù)運(yùn)行一年，而普通材料僅能維持幾個(gè)小時(shí)。

△使用GRX-810等特殊合金3D打印金屬部件，可以制造單個(gè)復(fù)雜部件

制造金屬的新方法

NASA表示開(kāi)發(fā)GRX-810并非易事。研究團(tuán)隊(duì)從基本元素——鎳、鈷和鉻的混合物開(kāi)始著手。然而，這些成分本身不足以應(yīng)對(duì)極端高溫。為了增強(qiáng)耐高溫性能，每個(gè)金屬顆粒必須通過(guò)微小的陶瓷氧化物進(jìn)行強(qiáng)化，形成氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金。

ODS合金的制造過(guò)程復(fù)雜且成本高昂。因此，格倫團(tuán)隊(duì)不得不創(chuàng)新制造方法，采用了一種名為“共振聲學(xué)混合”的技術(shù)。通過(guò)高速搖動(dòng)含有金屬粉末和納米氧化物顆粒的容器，他們確保了氧化物均勻地覆蓋在每個(gè)金屬顆粒上。NASA指出，這種方法能夠產(chǎn)生一種結(jié)合牢固的粉末，即使在后續(xù)的研磨和重復(fù)使用過(guò)程中，也不會(huì)出現(xiàn)任何損傷。

項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者，美國(guó)宇航局格倫研究中心的材料工程師Tim Smit解釋說(shuō)：“如果你在顯微鏡下觀察這些金屬粉末，它們看起來(lái)就像是糖粉裹著的甜甜圈。金屬構(gòu)成了甜甜圈，而納米氧化物材料則像是外層的糖粉。”

△NASA的Aerospike噴嘴生產(chǎn)示意

Elementum 3D首席技術(shù)官Jeremy Iten解釋說(shuō)：“這種涂層方法賦予了GRX-810獨(dú)特的強(qiáng)度。金屬在高溫壓力下通常會(huì)變形或蠕變，像太妃糖一樣被拉伸，直到斷裂。而GRX-810能夠更長(zhǎng)時(shí)間地抵抗這種拉伸。”

2024年，GRX-810仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，更像是一個(gè)概念驗(yàn)證階段。如今，總部位于科羅拉多州的金屬粉末3D打印公司Elementum 3D已將這種新材料規(guī)?；a(chǎn)，并向行業(yè)合作伙伴供貨。該合金已從早期批量生產(chǎn)發(fā)展到全面的工業(yè)訂單，為航空航天和能源公司在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中試用打開(kāi)了大門(mén)。

NASA指出，使用GRX-810進(jìn)行3D打印可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)方法更復(fù)雜的形狀。這意味著工程師可以設(shè)計(jì)具有曲線(xiàn)、格子和內(nèi)置冷卻通道的零件，并且現(xiàn)在擁有足夠堅(jiān)固以承受高溫的金屬。

這使得GRX-810材料從研發(fā)階段轉(zhuǎn)向?qū)嶋H硬件階段，這一轉(zhuǎn)變不僅對(duì)NASA意義重大，而且對(duì)航空、能源甚至先進(jìn)制造等商業(yè)行業(yè)也具有重要意義。