霍尼韋爾對3D列印鎳基高溫合金材料進行多維度測試

在航空航天領域，高溫合金材料應用於製造噴氣渦輪發動機關鍵區域中的零部件，如燃燒室、高壓和低壓渦輪區域、壓縮機後端等。這些區域中的所有零件都暴露於高溫和更高水平的氧化作用下。

粉末床雷射熔化（L-PBF）金屬3D列印技術憑藉在複雜結構製造中的優勢，在高附加值功能集成高溫合金零件製造中備受重視，尤其是在製造集成先進冷卻結構的高溫合金零部件領域發揮了傳統技術難以發揮的作用。此外，發動機高溫組件通常是非常昂貴的，L-PBF工藝能夠減少材料浪費，並能夠縮短交期，使製造商從庫存管理中受益。然而，L-PBF進行高溫合金增材製造仍存在挑戰，例如由於強烈的溫度梯度導致亞穩態的化學、結構和機械狀態，從而產生影響性能的冶金缺陷。

鎳基合金是傳統製造工藝常用的高溫合金材料，例如IN738、IN713和MarM247。但由於傳統鎳基高溫合金材料的化學性質與雷射熔化3D列印技術並不兼容，因為它們不能對快速的熱梯度變化做出很好的響應，並且實際上不可能控制焊接過程中的開裂量，因此這些合金材料更多是使用冷卻速率相對較低的鑄造方法加工的。

航空航天製造用戶如果希望應用L-PBF 3D列印技術提升高溫應用的競爭優勢，找到專門適用於這一3D列印技術並且不損害結構完整性的高溫合金材料就成為關鍵的一環。根據3D科學谷的市場觀察，霍尼韋爾所開展的新型鎳基高溫合金材料-ABD®-900AM的測試工作，正是在推動高溫合金的增材製造應用。

為增材製造而優化的材料

高抗裂性與高緻密度

ABD®-900AM是Alloyed 面向粉末床雷射熔化3D列印技術開發的一種鎳基高溫合金材料，用於高強度和/或中等蠕變能力的部件的增材製造。靜態強度接近鑄造IN-713C的強度。該材料就以下幾點進行了優化：

優化

• 900°C時的強度
• 抗應變和凝固裂紋
• 抗氧化

ABD®-900AM3D列印的燃燒室樣件。來源：aero-mag

ABD®-900AM的增材製造應用包括：靜態航空航天發動機部件、熱交換器、具有內部冷卻要求的組件。

L-PBF工藝3D列印列印的CM247LC®，718合金和ABD®-900AM的裂紋長度和分布圖。來源：Alloyed

根據Alloyed的技術資料，通過使用L-PBF 3D列印技術對ABD®-900AM材料進行性能評估表明，與增材製造中常用的合金相比，ABD®-900AM 具有更高強度和可製造性，並顯示出高抗裂性和99.9％的密度。

經過熱處理的3D列印合金718和ABD®-900AM機械性能評估。來源：Alloyed

對ABD®-900AM與718合金的機械性能進行了比較。在高於800攝氏度時，ABD®-900AM的屈服應力至少提高30％，蠕變溫度能力最高提高100攝氏度。

從材料到工藝的多維度測試

霍尼韋爾進行了一系列測試，以確認和優化合金的性能，並獲得了一些非常積極的結果。測試從以下幾點展開。

l 可製造性

重點是評估ABD®-900AM鎳基高溫合金材料在L-PBF 增材製造時的合金性能，以及這一過程中產生的熱梯度是否會損害最終零件的完整性。霍尼韋爾在德國 EOS金屬3D列印系統中試用了各種測試幾何形狀，並進行了組件規模測試，發現在列印條件下無裂紋導致的變形，測試零件具有良好的表面光潔度。

l 粉末可回收性

當考慮使用金屬增材製造工藝的經濟性時，能夠對為熔化粉末進行再利用是一個重要因素。霍尼韋爾對回收再利用粉末進行了測試，與新粉末相比，回收粉末製成的零件的性能沒有明顯變化。

l 後處理能力

3D列印零件通常需要進行後處理，後處理工藝可能會影響材料的機械性能，進而影響零件的功能。真空熱處理和熱等靜壓（HIP）常被用於消除金屬3D列印零件的內部空隙，霍尼韋爾也進行了相應測試，在經過後處理的ABD®-900AM 材料3D列印零件上未發現「焊後」裂紋。

l 拉伸試驗

霍尼韋爾進行了ASTM標準拉伸試驗，測量了兩個構建方向的拉伸強度、斷裂強度、最大延伸率和427°C至927°C之間的面積減小。該測試表明測試點具有良好的可重複性，ABD®-900AM 材料的高溫強度與傳統鑄造鎳合金相當。

l 低周疲勞測試

低循環疲勞（LCF）是低循環耐久性測試，其中組件經受機械循環塑性應變，從而在短周期內導致疲勞失效。霍尼韋爾在650°C下對ABD®-900AM材料進行了低循環疲勞測試，結果表明，沒經過熱等靜壓處理的ABD®-900AM 材料零件比經過熱等靜壓處理的718合金具有更好的性能。

霍尼韋爾與Alloyed之間的工作結果表明，ABD®-900AM的焊接和熔融性良好。儘管由於氧化性能ABD®900AM材料在大多數情況下不能代替鑄造用CM Mar-247材料，但與Mar 247、IN792、IN713或IN738相比，它在高溫下確實具有非常好的機械性能。

3D科學谷Review

根據3D科學谷的市場觀察，鎳基高溫合金3D列印已與下一代航空航天發動機、燃氣輪機製造結下了「不解之緣」，通過改變設計與製造邏輯提升發動機高溫部件的性能。

一體化葉盤

研發領域，國際上ACAM-亞琛增材製造中心的研發成員，來自亞琛工業大學數位化增材生產DAP的渦輪機械專家與Fraunhofer弗勞恩霍夫生產技術研究所IPT合作一體化葉盤由鎳基超級合金IN 718製成，研究人員成功地為葉盤開發了L-PBF 3D列印製造工藝，還應用了點陣晶格結構來支撐構建過程中的部件，使得後期需要去除的材料顯著減少，並且避免了銑削過程中的振動。

燃燒器

霍尼韋爾在剛獲得的專利中披露了通過3D列印技術開發雙壁燃燒器的細節。與常規的雙壁結構不同，霍尼韋爾開發的雙壁結構將衝擊冷卻和噴射冷卻組合成單個結構。用於從熱側壁傳導熱量並減小熱梯度，從而減輕了平面應力。這種設計還提供了最小的佔地面積，相對於傳統的雙壁結構，潛在地減輕了重量。

燃氣渦輪發動機中實施的雙壁熱段結構的一部分的剖視圖。來源：US10775044B2

圖中雙壁結構300（第一壁，第二壁和基座）是一體化的結構，使用選區雷射熔化增材製造工藝來製造，雙壁結構通過鎳基高溫合金製造，可以在形成衝擊冷卻孔308和噴射冷卻通道312之後施加塗層和或隔熱塗層。

熱交換器

L-PBF 3D列印技術還在催生下一代熱交換器的發展，2019年GE宣布與馬裡蘭大學和橡樹嶺國家實驗室合作研發UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內完成開發計劃，實現更高效的能量轉換和更低的排放。GE希望新型換熱器將在超過900°C的溫度和高於250 bar的壓力下運行，超臨界CO2動力循環的熱效率提高4％，在提高動力輸出的同時減少排放。材料方面，這種新型換熱器將利用獨特的耐高溫，抗裂的鎳基超合金，這是GE研究團隊為增材製造工藝而設計的材料。該熱交換器包括多個增材製造方法，使流體通道尺寸較小，具有較薄的壁而形成的流體通路，以及具有錯綜複雜的形狀，這些熱交換器使用先前傳統的製造方法無法製造出來。

功能集成的核心機

渦輪機製造企業 Sierra Turbines 對於微型渦輪提出了設計優化目標，並通過L-PBF 3D列印技術實現這些目標。

通過使用製造商VELO3D的金屬增材製造（AM）技術，Sierra Turbines將關鍵組件的零件數量從61個減少到1個，並且還獲得了許多重要的性能提升。這款核心機所採用的3D列印材料為鎳超合金，是許多大型燃氣輪機燃燒室的首選材料。增材製造使Sierra Turbines能夠獲得複雜的設計功能，以提高熱效率和獲得更長的維修間隔，這是前所未有的突破。

預混合器

西門子成功地為SGT-A05航改式燃氣輪機降低了排放量，通過3D列印乾式低排放（DLE）預混合器獲得了令人印象深刻的結果，顯示出可顯著降低CO排放。這一成就進一步鞏固了西門子世界領先的增材製造創新應用以及其能源領域的地位。

西門子開發的SGT-A05燃氣輪機的3D列印乾式低排放（DLE）預混合器。來源：西門子

西門子通過3D列印製造這種特定燃氣輪機部件所取得的成就是顯著的。從概念到發動機測試，開發只用了七個月，這對於需要如此嚴格的公差並且在高負載和溫度下工作的組件而言是令人印象深刻的。DLE預混合器非常複雜，使用傳統的鑄造和CNC機加工製造方法涉及20多個零件。通過使用西門子合格的鎳基超級合金作為增材製造材料，3D列印預混合器部件僅需要兩個部件組成，並且交付周期減少了約70％。

DLE預混合器的3D列印使西門子能夠簡化生產過程中的複雜性，減少供應鏈中的外部依賴性，並改善組件的幾何形狀，從而實現更好的燃料 – 空氣混合。

製造是鎳基高溫合金等超級合金應用的「致命弱點」，而如果沒有通過鑄件機加工進行冗長而昂貴的減法製造，就無法獲得結構上良好的機械性能。而3D列印可以有效地製造複雜的結構，這些結構通常很難實現，例如在以上3D科學谷Review 中我們回顧的葉盤、內部集成冷卻通道的部件、點陣結構。[1]

但多數常規鎳基高溫合金無法從精密鑄造工藝過渡到3D列印技術中使用，因為這些材料是針對鑄造等傳統工藝進行優化的。由於3D列印過程的快速重複熱循環，可以通過成分計算數據驅動的方式設計出針對3D列印工藝參數的新成分，從而針對增材製造的高冷卻速率調整微觀結構和性能。因此，面向增材製造工藝對鎳基高溫合金材料進行優化，減輕其冶金缺陷，推出適合3D列印的合金材料，在推動高溫合金增材製造應用過程中起到重要作用。[1]

霍尼韋爾測試的3D列印鎳基合金材料將在航空發動機等領域的增材製造中發揮怎樣的作用，3D科學谷將保持關注。

參考資料：

[1] Chinnapat Panwisawas et.al. Metal 3D printing as a disruptive technology for superalloys. Nature Communications,2327 (2020) .

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