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迎新機遇，3D打印或將成為高溫合金全新制備工藝

升華三維 2022-09-28 | 閱讀：567

迎新機遇,，高溫合金成關鍵基礎材料

近日,，工信部等四部門印發(fā)原材料工業(yè)“三品”實施方案，目標到2025年,，原材料品種更加豐富,、品質更加穩(wěn)定、品牌更具影響力,。高溫合金,、高性能特種合金,、半導體材料、高性能纖維及復合材料等產品和服務對重點領域支撐能力顯著增強,。

高溫合金材料是航天航空發(fā)動機的重要制造原材料,，用量占發(fā)動機總重量的40%-60%，主要應用于發(fā)動機的燃燒室,、導向器,、渦輪葉片、渦輪盤,、尾噴口及機匣等部件,。其次，高溫合金具備耐高溫,、耐腐蝕等優(yōu)良性能,，也被廣泛應用于燃氣輪機、石化,、工業(yè)和汽車領域等場景,。近年我國高溫合金行業(yè)在下游需求的帶動下高速發(fā)展，市場面臨著巨大的需求增長空間和進口替代空間,。

▲資料圖（來源網絡）

傳統(tǒng)高溫合金制造存在的問題

高溫合金是指以鐵,、鈷、鎳為基,，能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料,，又稱“超級合金”。其具有優(yōu)異的高溫強度,，良好的疲勞性能,、斷裂韌性等綜合性能。它們最初是為渦輪噴氣發(fā)動機中的燃氣輪機組件開發(fā),，現在已廣泛用于航空航天和能源領域,。

▲高溫合金的制備工藝

傳統(tǒng)上，制造是高溫合金應用的“致命弱點”,。其制造工藝窗口很窄,，通常在冗長且高昂的繁復工序后，再通過機加工才能得到最終的部件,。當今社會人們仍然在使用可以追溯到古代的精密熔模鑄造工藝。精密鑄造涉及多種化學和工藝控制,，在鑄造和隨后的零件機加工過程中會產生大量的廢料,，以渦輪葉片為例，大約只有10％的高溫合金會變成最終成品,。

▲渦輪葉片的鑄造工藝繁瑣

此外,，高溫合金的生產工藝比較復雜,，全部工藝流程包括溫度、濕度,、壓力,、電流等幾千個參數，任何一個環(huán)節(jié)出現問題,，都會影響到產品的質量以及穩(wěn)定性,。以機加工為例，因為高溫合金內含有鉻,、鋁等較為活潑的元素,，在氧化過熱腐蝕環(huán)境中容易出現化學不穩(wěn)定的情況。如果制作工藝達不到,，在其加工過程中容易出現切削加工性差,、切削變形大、加工硬化傾向,、刀具易磨損和表面質量,、精度容易保證等難點。

3D打印或將成為高溫合金全新制備工藝

3D打印作為一種新的材料成型方式,，可使高溫合金的加工過程發(fā)生根本變化,，不僅減少了制造步驟更能節(jié)省大量材料。從而賦予了工程人員更高的設計自由度,，與減材制造相比,，空心、點陣和泡沫結構因此成為可能,。目前主流的高溫合金3D打印成型工藝為激光粉末床熔融技術,，在激光和計算機輔助制造條件下，材料能夠逐點逐層成型,，通過合理的工藝參數組合,，直接熔融燒結，從而得到高致密度樣件,。但快速和重復的熱循環(huán)會導致強烈的溫度梯度,，從而導致亞穩(wěn)態(tài)的化學、結構和機械狀態(tài),，進而引發(fā)危及性能的冶金缺陷,。

而由升華三維推出的金屬·陶瓷間接3D打印技術——粉末擠出3D打印技術（PEP），是通過擠出粘合的金屬顆粒料（聚合物粘合劑與金屬粉末材料進行配比）,，利用其適配的3D打印機逐層成型生坯,，再結合脫脂燒結的工藝?；谶@一低溫段成形,，高溫段成性的技術優(yōu)勢,，合理的規(guī)避了快速熱循環(huán)導致的冶金缺陷等問題。從而快速實現高溫合金復雜結構,、大尺寸的快速成型后,，將熱加工過程轉移到燒結步驟，這使得更容易管理熱應力,，因燒結溫度低于其他類型的直接3D打印工藝中所需的完全熔化溫度,，并且熱量可以更均勻地施加，從而確保了產品性能的一致性,。

▲間接金屬3D打印

PEP技術為新一代制造業(yè)拓寬道路

基于粉末擠出打印技術（PEP）,，升華三維目前已推出兩款核心3D打印設備：工業(yè)型獨立雙噴嘴3D打印機UPS-250和大尺寸獨立雙噴嘴3D打印機UPS-556。均采用獨立雙噴嘴設計,，可以同時打印或者各自輪流打印金屬和陶瓷材料,，能實現不同種類材料的復合產品開發(fā)及復雜結構的成形。具有操作簡單,、工業(yè)型,、高精度、高質量,、高性價比等優(yōu)點,。已廣泛應用于科研教育、工業(yè)制造,、航天航空,、軍事國防、生物醫(yī)療,、汽車,、模具制造、新能源等領域,。

▲升華三維3D打印設備

目前由升華三維研發(fā)的鐵基高溫合金打印材料,，已應用在航空航天、石油化工,、冶金能源,、電爐電器等領域。

▲升華三維3D打印高溫合金樣品

另外,，在金屬3D打印領域,，PEP技術已成功應用用于不銹鋼，銅及銅合金,、鈦及鈦合金,、高溫合金、硬質合金難熔金屬等材料的技術研發(fā)和產品制造。高溫合金增材制造作為目前的研究熱點與前沿方向,，主要圍繞鈦合金、鎳基高溫合金,、鈷鉻高溫合金等材料開展大量技術與應用研究,。該應用方向主要開展的關鍵技術研究包括：開發(fā)模型、性能預測,、高溫合金增材制造標準化等,。未來，高溫合金增材制造將成熟用于航空發(fā)動機,、軍用發(fā)動機,、燃氣輪機等裝備，主要在燃氣式,、渦輪葉片,、渦輪盤等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器裝備的生產成本,，縮短生產周期,。

▲升華三維樣品展示

升華三維作為國內最早從事金屬·陶瓷間接3D打印技術研究的團隊之一，還將研究與開拓更寬范圍的高硬度高熔點的材料開發(fā),，制備出更多具有薄壁,、曲面、彎曲管道,、孔和槽等,，特征在傳統(tǒng)制造難以實現的金屬先進材料的打印制品，提升零部件的高附加值,，滿足各行業(yè)趨向更優(yōu)性價比,、更高效率、更具可持續(xù)性的制造需求,，為新一代制造業(yè)鋪展更廣闊的道路,，為國家關鍵基礎材料發(fā)展貢獻應有的力量。