3D打印低熔点金属实现高温应用的两种方式

很明显，这两个应用场景的温度环境均会超过铝合金的熔点，而其为何能够保持材料性能呢？首先是使用了纳米陶瓷涂层，其次是借助了再生冷却结构。这两种方式是保护低熔点金属实现高温应用的重要手段。目前在航空航天、轮船、能源等领域有重要应用。

纳米陶瓷材料具有较低的热导率，能够有效地阻止热量的传递。其次，纳米陶瓷涂层具有反射热辐射的能力，热辐射是物体通过电磁波传递热能的一种方式，而纳米陶瓷涂层可以反射掉一部分热辐射，使其无法穿透到另一侧；第三，纳米陶瓷涂层能够吸收和储存热量，当温度升高时，纳米颗粒会吸收热量并变得更加活跃，从而起到缓冲温度变化的作用。

以2022年冬奥火炬为例，内外飘带使用铝合金3D打印制造，经过坯件打磨、抛光之后，进行表面糙化、除尘、预热、涂敷、烘烤等一系列流水线工序。最后在其表面均匀的薄涂纳米级陶瓷涂层，最终使火炬能够耐受800-1000度高温5-10分钟。

除此之外，热障涂层还被广泛应用在飞机发动机、涡轮机和汽轮机叶片上，保护高温合金基体免受高温氧化、腐蚀，起到隔热、提高发动机进口温度和发动机推重比的作用。采用3D打印技术制造还有内部流道的叶片结构，也提供了极大便利。

再生冷却是另一种保护低熔点金属实现高温应用的手段。以火箭发动机为例，燃烧室喉部燃烧温度高达3500℃，内壁温度超过1000℃，任何金属材料在此温度下都已接近熔化，而且材料还要经受腐蚀性高压高速燃气的侵蚀。很显然，铝在该温度如果不进行结构保护很快会失效。

在火箭发动机制造领域，再生冷却结构是重要的冷却技术。火箭发动机推力室结构由内、外两层壁构成冷却夹套，约有360个冷却槽。发动机工作时，内衬一侧为高温燃气，另一侧为装载液氢液氧的冷却管道，通过液氢液氧降低火箭发动机燃烧室内壁温度保持在熔点以下，以保证材料能正常服役。推进剂组元流经冷却套冷却壁面，自身受热升温后流出冷却套，再经喷注器进入燃烧室，使通过内壁传出的热量又回到燃烧室得以“再生”，故称再生冷却。

然而，传统的推力室再生冷却结构制造动辄数月甚至更长时间，并且容易导致不同部件的质量水平不同。高昂的制造成本以及漫长的等待时间让航天发射对增材制造的关注越发迫切。3D打印制造火箭发动机的优势已经不必多说，如今，民营航天公司极为重视增材制造技术的使用，采用3D打印制造的再生冷却一体结构发动机已经投入使用。

NASA马歇尔太空飞行中心与Elementum 3D公司合作，在2023年开发了一种可焊接铝，其耐热性足以用于火箭发动机，且成功进行了测试。与其他金属相比，铝的密度较低，可用于制造高强度、轻质的部件。

实际上再生冷却结构很像模具中的随形冷却流道，同样起到快速将热量带走的作用。

总的来说，本文介绍了两种保障低熔点金属实现高温应用的手段，这些技术在遇到3D打印之后正在迸发新的生机。