不同类型的金属具有不同的品质，因此将它们组合起来可以产生优于任何一种金属制成的物品。现在，新技术允许通过3D打印机执行这种混合，比以往更快、更容易。华盛顿州立大学的工程师NASA的研究人员。

"双金属"3D打印技术，可产生强度更高的金属物品

目前，用多种金属3D打印物体的最常见方法之一是采用一种称为线弧增材制造的技术。

简而言之，这涉及利用焊头产生熔化金属丝的电弧。熔融金属沉积在连续的层中，逐渐形成所需的物品。每当一项打印作业需要不同的金属时，该过程就必须暂停，以便将一种金属制成的金属丝更换为另一种金属制成的金属丝。

为了简化这一过程，华盛顿州立大学的工程师从树木和骨骼的结构复杂性中汲取灵感，发明了一种使用两台焊接机在同一圆形层中3D打印两种钢材的方法。事实证明，由此产生的双金属材料比任何一种单独的金属都坚固33%至42%，部分原因是金属一起冷却时在它们之间产生的压力。

这种新方法使用了普通的、相对便宜的工具，因此制造商和修理厂可以在短期内使用它。发表在《自然通讯》杂志上的这项研究的高级作者Amit Bandyopadhyay说，随着进一步的研究，它可能被用于制造高性能的医疗植入物，甚至太空旅行的零件。

一个头首先以圆形图案沉积一种金属，形成一个环。然后另一个头冲进去，将另一种金属沉积在环内，为该结构提供一个坚固的核心。当两种金属继续冷却时，外环的收缩速度比内核更快。这会在两种金属之间的界面处产生压力，将它们粘合在一起。

这个过程不断地重复，一层又一层，最终形成一个“双金属”柱。

到目前为止，科学家们已经创建了双金属结构，例如在低碳钢外壳内包含不锈钢芯的柱子，其强度比单独由任何一种金属制成的同等结构强 33% 至 42%。人们希望该技术最终可以用于制造诸如抗扭矩轴、具有被耐热外壳包围的冷却芯的航天器部件，甚至具有被耐用钛包裹的治疗磁芯的人工髋关节植入物等产品。而且这些物品不一定必须采用杆或柱的形式。

目前，在焊接装置中使用多种金属进行3D打印需要停止和更换金属线。新方法消除了这种暂停，并在金属仍然很热时将两种或多种金属放在同一层中。逐层强化3D打印金属零件的能力可以很快为汽车制造商提供新的选择，使其能够快速创建坚固的定制钢零件。例如，可以开发双金属抗扭矩车轴，或具有成本效益的高性能制动转子。

未来，研究人员看到了医疗制造工艺的潜力，该工艺在外部打印出耐用的钛，并在内部打印出具有愈合性能的磁性钢等材料。同样，空间中的结构可以在内部材料周围具有耐高温材料，该材料具有冷却性能，以帮助结构保持一致的温度。

“双金属结构”或“功能梯度金属”最典型的应用是制造火箭发动机燃烧室。在发动机工作时，其燃烧温度在3000摄氏度以上，极少数金属能够在高温下不融化，所以对燃烧室的结构进行调整是保证其工作性能的重要因素。当前的燃烧室是采用循环式的，它的结构是由内墙和外墙构成的冷却系统。衬套的一面为高温气体，对材料的导热性要求较高，一般选用铜合金；另外一种是在高温下具有较好的机械性能的结构外壳，镍系高温合金是一种很好的替代材料。

NASA冷喷涂3D打印制造的双金属发动机零件

1、3D打印制造燃烧室

近年来，目前，3D打印技术在研究室中的应用越来越广泛。新的材料、新的过程、新的结构也是研究开发的重点。NASA的研究人员专门开发了适用于3D打印燃烧室的GRCop-42(Cu-Cr-Nb)铜合金和HR-1(Fe-Ni-Cr)高温合金；与传统的Cu-Cr-Ag相比，3D打印的GRCop-42具有更高的，蠕可变特性及高温强度可改善新型火箭、引擎的推力。HR-1具有良好的抗腐蚀、抗氧化、抗脆化能力，适用于高强度的火箭发动机零件。这两种材料的3D打印技术可以应用在需要高温和高热流的发动机零件上，例如内燃机衬套、水套和喷嘴。

在热喷涂3D打印过程中，采用不同的工艺气体，对材料的显微组织和性能有较大的影响。NASA工作的主要目的是研究通过冷喷涂3D打印技术制备GRCop-42和HR-1合金双金属结构；评估氮气和氦气对力学性能的影响，研究了热处理工艺对材料的显微组织演化及机械性能的影响。

2、冷喷涂和3D打印制造双金属发动机零件

以GRCop-42和HR-1合金为材料，通过冷喷涂3D打印工艺，对其进行了显微结构演化和机械性能的研究。结果表明，采用氦处理方法得到的试样的孔隙度较小，机械性能也比较好。这主要是因为在氦气作用下，颗粒的运动速度较快，从而引起了更大的塑性变形。所有的试样经冷喷涂或3D印刷后，其韧性极差，显微硬度较高。热处理实现了析出相的再结晶和细化，显著提高了GRCop-42和HR-1合金的塑性和抗拉强度。在GRCop-42中加入HR-1可以降低孔隙率，GRCop-42中HR-1的含量超过50%，会降低试样的力学性能。

3、商用冷喷涂设备

目前，冷喷涂也已应用于飞行中。TRL技术有很高的成熟度。虽然主要用于维护，但其应用正在走向成熟。冷喷涂已被证明有利于自由形态和双金属应用的发展，如液体火箭发动机燃烧室的热试验。目前，用于生产的商用冷喷涂设备数量也很有限，但这项技术正在受到重视。

总的来说，冷喷涂3D打印技术可用于制备GRCop-42和HR-1合金及其复合材料，可作为制造火箭发动机应用零件的替代 生产方法。如果用这种3D打印方法制造火箭发动机，可以有效避免传统工艺中的钎焊、铸造等工序，有效提高零件的成品率减少工艺流程，实现多金属结构材料的加工方法。

文章来源： 科学头条，美丽的科学，cnBeta