Hur presterar metall 3D -utskrift i tillverkningskomponenter under hög - temperaturförhållanden?

一, en stor förändring i materialens egenskaper: från "omöjligt" till "superprestanda"
1. Mycket exakt kontroll av mikrostruktur
Den snabba kylningshastigheten förmetall 3D -tryckning(Upp till 10 ³–10 ⁷ examen /s) har helt förvandlat hur gjutning brukade fungera, vilket var genom dendritisk utveckling. Nickel - baserad hög - Temperaturlegeringar är ett bra exempel. Traditionella metoder behöver många veckors kemisk homogeniseringsvärmebehandling på grund av dendritisk segregering. Emellertid skapar 3D -utskrift direkt små cellulära kornstrukturer, vilket innebär att homogeniseringsfasen inte behövs. Riktningsvärmebehandling kan också exakt kontrollera storleken på 'fasutfällning ner till nanoskala -nivån. NASA utvärderade 3D -tryckt nickel - baserade legeringsturbinblad och fann att de höll 98% av sin ursprungliga styrka vid en hög temperatur på 1600 grader. Detta är 15% starkare än traditionella förfalskningar.
2. Komposit med en lutning av olika material
3D -utskrift kan ändra sammansättningen av material på ett gradient sätt för att tillgodose prestandabehovet hos olika delar av hög - temperaturkomponenter. Ett team skapade en kobolt - baserad/nickel - baserad sammansatt turbinskiva som båda är kryp - resistent och har en lång trötthetsliv vid 1200 grader. De gjorde detta genom att använda online -pulverblandningsteknologi för att göra kärnområdet för skivan till en hög - styrka kobolt - baserad legering och kanten på skivan till en hög - temperatur - resistent nickel - baserad legering. Funktionen "One Material för flera användningsområden" sänker kostnaden för en enda bit med 40% och den tid det tar att studera och producera det med 60%.
3. Gör nya legeringssystem
Chinese Academy of Sciences 'Institute of Metals Team använde Laser Powder Bed Fusion (LPBF) -teknologi för att göra Al - Fe - V - Si - SC aluminiumlegering. Den har fortfarande en draghållfasthet på 450MPa vid 400 grader, vilket fyller prestandamålet för traditionella aluminiumlegeringar i 200-450 graders temperaturområde. Det största genombrottet är:
Amorf/kristallin kompositstruktur: mitten av smältpoolen svalnar snabbt och bildar ett amorft nätverk som gör det svårt för dislokationer att resa.
Multi - Skalautfällningsfas Stärkning: Al ₈ Fe ₂ Si, Al ₁ V och andra nano -faser arbetar tillsammans vid AL ∝ SC -gränssnittet för att stoppa grovt vid höga temperaturer.
Skandiumelementkornsgränsskontroll: SC -element förfinar korn och håller korngränser på plats, vilket gör dem 70% mindre benägna att spricka när de värms upp.
2, Nya idéer i tillverkningsprocessen: går från "subtraktiv" till "additiv"
1. Gjutning av komplicerade strukturer i ett stycke
Tidigare krävde temperaturkomponenter med hög- dussintals steg för att sätta ihop olika delar. Med 3D -utskrift kan du dock direkt göra komplicerade funktioner som biomimetiska honungskakstrukturer och konform kylkanaler. Ett visst flyg- och rymdföretag tillverkar turbinblad som är anslutna till en biomimetisk honungskakkylningsstruktur. Detta gör kylning 40% effektivare och fördubblar bladens livslängd. Förbränningskammarfodret för flygmotorn är tryckt med dubbel - skiktkylkanaler med hjälp av Electron Beam Melting (EBM) -teknologi. Efter att ha behandlats med varm isostatisk pressning är den höga - temperaturkrypprestanda lika bra som för förfalskningar och klarar 3000-timmars bänkprovet.
2. Lätt och funktionell integration
3D -utskrift kan göra hög - temperaturdelar 30% till 70% lättare genom topologoptimering. Porsche 911 GT2 RS racingbil har 3D -tryckt titanlegeringskolvar som har byggt - i kylkanaler. Dessa kanaler förbättrar motorutgången med 30 hästkrafter och minskar vikt med 15%. Ännu viktigare är att Multi - Material Printing Technology låter dig lägga elektroniska delar som sensorer och ställdon direkt på metallunderlag, vilket är hur "strukturfunktionell intelligens" uppnås.
3. En revolution i underhåll och omtillverkning
3D -tryckt riktad energideposition (DED) -teknologi kan fixa hög - temperaturdelar med lokaliserad skada mycket exakt. Laserbeklädnadsteknik används av ett visst kraftverk för att fixa gasturbinblad . 3 d som skannar de trasiga sektionerna gör reparationsvägen, och sedan smälts samma pulver. Efter att ha fixats går delens trötthetsstyrka tillbaka till 95% av den för nya delar, vilket sparar 700 000 yuan varje reparation.
3, Användningar och problem i branschen: Hoppet från laboratoriet till industrin
1. Flygplanen är den viktigaste slagmarken
Flygmotor: LEAP -motorbränslemunstycket från GE -luftfarten kombinerar 20 delar till en med 3D -tryckning, vilket gör det 200 grader mer resistent mot värme och fem gånger längre - varar;
Raketmotor: NASA testade en tryckkammare gjord av 3D - Tryckt aluminiumlegering som använder en regenerativ kylmekanism för att hålla temperaturen på den inre väggen under smältpunkten. Denna ökade trycktäthet med 30%.
Hypersonic Aircraft: Ett team har gjort en volframrheniumlegering varm slutdel som kan hantera en plötslig hög temperatur på 3000 grader. Detta är viktigt materiellt stöd för hypersoniska vapen.
2. Ny utveckling inom områdena energi och industri
Gasturbin: Siemens Energy's 3D - Tryckt gasturbinförbränningskammare förbättrar förbränningseffektiviteten med 2% och minskar kväveoxidutsläppen med 15% genom att använda en biomimetisk flödeskanaldesign.
China National Nuclear Corporation: s 3D - Tryckta zirkoniumlegeringsbeläggningsrör för kärnkraftsutrustning är tre gånger mer resistent mot korrosion i 400 graders hög - temperaturång, vilket gör den fjärde generationens kärnreaktor säkrare.
Bosch har gjort en 3D -tryckt turboladdarrotor för bilindustrin som gör rotorn 15% starkare mot kryp och 40% snabbare för att svara på 1200 grader.
3. Viktiga problem och sätt att lösa dem
Databas över saknade material: Det kan ta upp till två år att producera nya höga - temperaturlegeringar och en big data -infrastruktur för att spåra hur väl kompositionsprocessen fungerar måste ställas in.
Processtabilitetskontroll: Utformningen av ett raketmunstycke har krävt över 200 förändringar i sina parametrar och behöver skapa i - Situ Monitoring and Closed - Loop Control Systems;
Höga utgifter efter bearbetning: Turbinskivan måste gå igenom sju steg, såsom stöd, värmebehandling och bearbetning. Detta kostar 40% av den totala kostnaden och involverar skapandet av ett icke -- bearbetningssystem.
Miljö- och säkerhetsrisker: Bearbetning av avfallsmetallpulver kostar 12% av driftskostnaderna och nya metoder för återvinning och tryckning med mindre damm måste göras.