目前，全球太空竞赛正如火如荼地进行，公共和私营部门的企业都试图在这一全新的前沿领域大展拳脚。技术和材料方面的突破有可能将人类的生存和生活方式推向前所未有的境地。成功不仅取决于发现新解决方案的能力，还取决于将这些解决方案高效、大规模生产的能力。

未来太空让地球上的生活更美好、更安全、联系更紧密

根据美国航空航天局（NASA）的预测，未来十年中95%的太空任务将在低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）上进行，这意味着太空中的第一波商业化航天活动将致力于让地球上的生活更美好。当前几颗全球宽带卫星已经进入轨道，为全球提供更稳定、更可靠的互联网信号。国防活动正在利用先进的卫星机器学习技术来改进小行星和导弹探测，同时利用革命性的激光技术首次实现了卫星间通信，使得信息传播速度更快。为了让太空生活更加安全和成功，NASA正在开发一个可扩展的公共全球定位系统接收器网络，用于便捷的短程太空导航和旅游。

综上所述，目前正在开发的零部件应用范围非常广泛，其中很大一部分是通过增材制造技术制成的。

采用增材制造所需的热处理标准

尽管增材制造在太空领域前景广阔，但由于缺乏专有材料和3D打印应用的标准，增材制造的采用仍然受到诸多限制。许多热加工专家正在加入研究机构和原始设备制造商的行列，借助新的行业标准，以及有助于实现投资回报率的生产就绪型解决方案，将增材制造引入主流制造业。

由于需要反复试验，这些标准的开发过程可能既漫长又昂贵。原型或小批量零部件的制造必须按计划进行，一个炉子内可能同时有多个客户的零部件。

通过批量工艺生产铸件，在增材制造成为一种可行的制造形式之前就已经存在了。虽然铸件和增材制造零部件确实有相似之处，如孔隙率都很高，但这并不意味着批量工艺最适合制作当今太空专用的重型零部件，而定制化工艺可能更具优势。

定制化工艺适用于尚未确定热处理方法的新材料或专有材料，或者无法按常规方法进行热处理的材料。虽然可以找到一种合适的批量生产工艺，但肯定不是最佳选择，尤其是对于要求使用寿命较长的零部件而言。而热处理炉具有对于批量工艺和定制工艺选择的灵活性，以及两种工艺模式的数据报告功能，可提供高水平的控制，这对于通过热处理和试验获得所需性能而言至关重要。例如，如果试验零部件的屈服强度不符合要求，则可以通过降低温度和增加压力来调整热处理工艺，然后在新一批零部件上再次进行循环试验。

批量工艺和定制工艺比较

在热处理中，批量工艺往往更经济，适用于需求量大、运行进度快、生产规模大的情况。不过，批量工艺也需要首先通过定制工艺来生产和验证新零部件的规格和性能，然后再扩大生产规模，实现批量工艺。

增材制造的常见工艺参数调整

在增材制造零部件的热处理过程中，为了达到预期效果，可以调整五个主要参数：温度、压力、时间、冷却速率和加热速率。对于增材制造零部件，调整温度和压力是获得更高屈服强度的首选方法。例如，将循环温度降低50℉，但压力提高5ksi，可能会获得更好的效果。

在零部件达到最高温度之前，还可能有一定的加热速率和中间保温，从而确保加热的一致性并提高材料性能。冷却过程也是如此，即通过特定的保温时间和中间淬火来控制零部件的冷却速率。

热等静压和增材制造

热等静压（HIP）结合了高温和高压，可在极端温度下改善零部件的力学性能。密封的HIP容器可提供均匀的压力，使零部件达到100%的理论密度，同时将变形降到最低。高水平的控制和均匀性使HIP成为太空用增材制造零部件的黄金标准。

与铸造零部件类似，3D打印材料往往具有多孔微结构，会影响零部件性能。HIP工艺可以消除这些孔隙，同时也不影响打印实现复杂几何形状和近净成型。HIP用于太空零部件的优势主要包括：更强的抗疲劳性，更强的抗冲击、抗磨损和耐磨性，更高的延性。

美国Paulo公司的克利夫兰分部为这一工艺配备了Quintus QIH-122 HIP设备，该设备经过特别改装，增加了热电偶，从而实现更精确的温度控制和更多的数据采集，以更高的精确度进行迭代，并找到一条高效的技术开发之路。

Quintus QIH-122 HIP的一个主要优点是能够以可控速率进行快速冷却，从而能够在一个炉子中进行热处理和固溶处理。这种高效的冷却速率是市场上其他HIP设备所无法比拟的。目前许多商用热处理炉还不具备必要的数据或动态循环水平，只能按照设定参数运行HIP工艺。换言之，许多热处理设备都无法对新零部件进行经济性迭代，也不能调整热处理参数。

需要热处理的太空零部件

未来太空旅行所需的零部件不仅要能在高机械压力和极端温度下工作，还要足够耐用，以便执行远程和重复任务。热处理是火箭发动机等部件准备投入使用的关键步骤。通常需要经过热处理的其他太空部件包括：涡轮、涡轮歧管、轴承座、燃油入口、壳体、支撑壳体、轴承支架、涡轮部件等。

自NASA太空飞船计划启动以来，Paulo公司致力于开发发射和推进的整体部件，以及国际空间站轨道上运行的许多部件。

用于太空部件的材料

人类每天都在探索新材料和新应用。专有的合金具有独特的性能，有望用于制作更强、更快、更持久的零部件。不过，鉴于独特的性能，需要采取独特的热处理工艺。目前用于太空的几种高性能超级合金包括：Inconel 718、Inconel 625，钛（Ti-6Al-4V），哈氏合金Hastelloy C22、Haynes 214、Haynes 282，GRCop系列铜合金等。

其中，Inconel 718是一种广受欢迎的太空合金，在被用于增材制造之前，最初是一种主要的铸造材料。这种镍基材料具有极高的抗拉强度和屈服强度，适用于在从高温到低温的极端环境中承受高机械负荷的部件，因此在3D打印技术发展初期，这种材料自然而然地被应用于太空领域。由于铸造和3D打印都会产生类似的多孔微结构，因此，也可以对Inconel铸造的热处理工艺进行调整。在当今的太空竞赛中，在现有合金中寻找新的机会，或将有助于获得材料优势。