熱交換器的3D打印制造材料有多種選擇，需要考慮的主要特性包括密度、導熱性、增材制造的加工性能以及最后的成本。最合適的材料要根據(jù)組件要求、工作環(huán)境和邊界條件進行選擇。

3D打印熱交換器的材料選擇

當前的主要3D打印材料選擇有：

• 不銹鋼主要用于在高溫和腐蝕環(huán)境下工作的熱交換器制造；

• 鎳基合金的導熱系數(shù)高于不銹鋼和鈦合金可用于高溫應用；

• 鈦合金是一種輕質(zhì)高強材料，也用于制造熱交換器；

• 鋁合金應用于以輕量化為主要要求、工作溫度不超過250℃的領域；

• 銅合金由于其高導熱性而成為非常合適的材料，但由于其通過3D打印制造的加工性能較差，因此尚未成熟。

1. 不銹鋼

不銹鋼由于其優(yōu)異的機械性能、耐腐蝕性和相對較低的成本，一直被廣泛應用于工業(yè)領域，因此它們是生產(chǎn)熱交換器的良好候選材料?？茖W界已經(jīng)克服了不銹鋼增材制造工藝中的挑戰(zhàn)，并且與傳統(tǒng)工藝制造的材料相比，經(jīng)過熱處理的3D打印材料通常具有更優(yōu)越的性能。許多研究都集中在評估這些合金的微觀結(jié)構(gòu)、機械和腐蝕性能，特別是316L奧氏體不銹鋼，是最常用且最適合航空航天應用的材料。研究顯示了3D打印的316L具有優(yōu)異的腐蝕性能，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)材料更高的氧化物穩(wěn)定性和相似的電阻，同時該材料適合制造薄壁特征。因此，316L是最適合熱交換器3D打印的良好候選材料。然而，必須考慮材料的高密度和非異常的熱性能。因此，這種材料并不適合制造航空航天應用中的航空發(fā)動機熱交換器，但可以考慮制造其他工業(yè)領域中的熱交換器。下圖為3D Systems打印的不銹鋼熱交換器。

2. 鎳基合金

鎳基合金因其在高溫和極高溫度下優(yōu)異的機械性能而廣泛應用于航空航天領域。因此，它們也被選用于熱交換器的制造。In625和Inl718是最知名的鎳基高溫合金，研究已經(jīng)證明了通過這些材料可實現(xiàn)薄壁等特征的3D打印并已研究過各種工藝參數(shù)的影響。鑒于這些合金具有出色的腐蝕性和耐磨性，In625和In718將成為保證熱交換器優(yōu)異性能的絕佳候選材料。然而，減少飛機總重量的持續(xù)需求使得這些材料不適合制造航空航天領域緊湊型的熱交換器。下圖為GE通過3D打印制造的In718熱交換器。

3. 鈦合金

在各工業(yè)領域應用最廣的鈦合金是Ti6Al4V。它是一種具有高強度、低密度、高斷裂韌性、優(yōu)異耐腐蝕性和優(yōu)越生物相容性的材料。最初，Ti6Al4V合金是為航空航天領域的結(jié)構(gòu)應用而開發(fā)的，這種輕而高強的合金可以減輕高負載結(jié)構(gòu)的重量，保持結(jié)構(gòu)部件的可靠性。目前薄壁特征可行性的科學研究已在多項研究中使用Ti6Al4V，因為其可加工性以及最佳參數(shù)對微觀結(jié)構(gòu)、機械和熱性能以及腐蝕和疲勞性能的影響已經(jīng)評估了一段時間，包括對薄壁定制微觀結(jié)構(gòu)和機械性能、殘余應力形成的熱現(xiàn)象以及對薄壁最終幾何形狀的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在薄壁的制造過程中，變形會累積，導致幾何形狀發(fā)生變化；特征高度越大，與標稱值的偏差越大。臨界點是薄壁在中部，變形趨于穩(wěn)定到平均值?？偟膩碚f，這種材料是熱交換器3D打印制造的有前途材料。下圖為馬里蘭大學與 3D Systems 和美國能源部建筑技術(shù)辦公室合作，3D打印的微型鈦合金熱交換器單個組件。

4. 銅合金

銅及其合金非常適合傳熱應用，但也面臨許多挑戰(zhàn)。它們對雜質(zhì)敏感，并且由于表面反射率高和激光吸收率低，增材制造的可加工性非常低。此外，高熱梯度會導致增材制造過程中分層和彎曲。然而，近年來，人們進行了許多研究銅合金增材制造可制造性的嘗試，特別是在傳熱應用方面。一些研究已經(jīng)采用添加合金元素的銅合金來降低反射率并提高吸收性能。這些研究主要集中在不同散熱器配置和小型熱交換器概念的增材制造上。隨后，進行了比較分析，以評估這些打印結(jié)構(gòu)與其傳統(tǒng)制造差異。銅合金的增材制造還應用于航空航天領域的其他方向。在過去的十年中，多項研究報道了廣泛的應用，特別是對液體火箭發(fā)動機的燃燒室的興趣。用于航空航天的銅合金增材制造為制造具有增強的機械、熱和電性能的輕質(zhì)、復雜和定制部件提供了潛力。然而，確保增材制造銅合金零件對于特定航空航天應用的適用性和性能的研究、測試和驗證仍在進行中。下圖為通快3D打印的銅熱交換器。

5. 鋁合金

鋁合金由于相對于其他金屬材料具有高導熱性、低密度和低成本，因此最常用于空氣-油混合動力系統(tǒng)。鋁合金有鍛造和鑄造形式，可分為可熱處理和不可熱處理兩類。在增材制造中，最合適打印的鋁粉通常基于鑄造合金，因為增材制造和鑄造工藝所需的材料特性相似，如可鑄造性、低收縮率以及無凝固或液化裂紋。特別是，使用近共晶金屬合金可以提高增材制造的加工性能，并且由于流動性更大，可以減少孔隙率和偏析等缺陷，從而更好的管理凝固階段的熔池。此外，考慮到當今使用的復雜化學成分，近共晶合金可以實現(xiàn)合金元素更好的均勻化以及基體和組成相的更高穩(wěn)定性。相反，變形合金不適合增材制造，因為它們需要較長的凝固范圍，這會產(chǎn)生熱裂紋。鋁基材料的每種合金元素之間的相互作用決定了合金的響應和最終性能。當前通過增材制造加工鋁面臨的挑戰(zhàn)包括材料的高反射率和導熱率，這可能導致高孔隙率。在L-PBF工藝中，最常見的鋁合金是近共晶Al-Si合金，例如AlSi10Mg、AlSi12、A357和A356。作為鑄造合金的變體，新鋁合金被認為是為L-PBF工藝定制的，包括Airbu sScalmalloy?和Aeromet A20XTM。下圖為HRL 3D打印的鋁合金熱交換器。

通過SLM生產(chǎn)的AlSi10Mg具有超細結(jié)構(gòu)，比鑄造或鍛造同等材料具有更高的強度，并且在高溫下保持良好的極限拉伸強度。因此，它作為鈦合金的低成本替代品在航空航天領域獲得了應用，并在賽車運動和汽車領域獲得了應用，從而為熱交換器和發(fā)動機缸體部件提供了更大的設計自由度。A20X?基于Al-Cu系并添加了Ti和B，其強度可與7000系列相媲美，并保持良好的延展性，同時在高達250°C的高溫下保持強度的能力優(yōu)于其他增材制造鋁合金。Scalmalloy?是一種Al-Mg-Sc- Zr合金，基于5000系列，因含有稀土元素因此不如鈦合金具有成本效益，此外其高溫性能雖然仍可以接受，但不如AlSi10Mg或A20X?。

性能差異

1. 機械性能

由于L-PBF工藝能夠產(chǎn)生獨特的柱狀微觀結(jié)構(gòu)，3D打印材料的機械性能仍然是研究的主題。具體而言，標準的缺乏給準確表征通過3D打印制造的材料帶來了挑戰(zhàn)。因此，科學界嘗試使用多種方法來滿足分析和解釋機械性能的需求，包括工藝參數(shù)、打印方向等對機械性能以及蠕變性能的影響等，并將3D打印材料和傳統(tǒng)工藝制造的材料之間機械性能進行了比較評估。下圖為增材和鑄造鋁合金的機械性能差異。

2. 摩擦學和腐蝕性能

3D打印材料的腐蝕防護機制具有重要意義。表面粗糙度、微觀結(jié)構(gòu)和后熱處理對于提高材料的腐蝕性能至關重要。高質(zhì)量的表面或拋光處理有助于降低空氣和海洋環(huán)境中的腐蝕速率，但對于高度復雜的幾何形狀和內(nèi)部特征來說很難實現(xiàn)。對于后熱處理，不同的溫度和時間以及熱處理的類型（固溶、時效等）會導致不同的性能，從而導致不同的腐蝕性能。人們對AlSi10Mg合金進行了大量研究，因為它是使用和研究最廣泛的鋁合金，對于其他鋁合金則研究很少。

3. 后熱處理的影響

鋁合金的后熱處理旨在消除各種制造缺陷和雜質(zhì)，獲得再結(jié)晶并改善材料在生命周期中的機械性能和行為。鋁合金通常先進行固溶和淬火處理，然后進行人工時效處理。固溶處理涉及將材料保持在高溫下，以使合金元素在基體中擴散。隨后通常進行水淬，水淬可快速冷卻，獲得合金元素的過飽和結(jié)構(gòu)，這會顯著影響處理的成功。未能控制因素，如硬化介質(zhì)的溫度和攪拌、浸沒速度以及零件的方向，可能會因孔隙生長而形成內(nèi)部氣泡，并導致永久變形。最后，時效處理包括材料的中長期持久性和中低溫，以允許強化相沉淀并提高部件的最終機械性能。

鑄造鋁合金的常規(guī)熱處理遵循 ASM 手冊標準

L-PBF制造的鋁合金的機械性能，打印態(tài)和熱處理態(tài)材料之間的差異

鋁合金最常見的后熱處理是T6和T7熱處理，與T6相比， T7涉及時效步驟，其特點是溫度更高、持續(xù)時間更短，以實現(xiàn)顯著的晶粒生長，從而提高材料的抗蠕變性。鑄造鋁合金的常規(guī)熱處理遵循ASM手冊標準，對于AlSi10Mg和A20XTM合金，可對照相應的鑄造傳統(tǒng)材料的標準熱處理，而對于Scalmalloy?合金則不存在這些標準熱處理。因此，對該合金進行了專門的熱處理研究，建議的熱處理包括在325°C溫度下進行4小時的單一步驟或熱等靜壓。研究發(fā)現(xiàn)， 325°C是理想的熱處理溫度，有利于Al3Sc沉淀物的形成，從而賦予熱處理合金優(yōu)異的性能。研究人員總結(jié)了3D打印不同鋁合金的機械性能，打印態(tài)和熱處理態(tài)之間的差異許多研究都集中在包括鋁合金在內(nèi)的多種增材制造金屬合金的后熱處理的優(yōu)化上，并且特別關注標準處理效果的研究。

END

熱交換器通常通過傳統(tǒng)的制造策略生產(chǎn)。增材制造，特別是 L-PBF工藝可以生成復雜的幾何形狀，從而能夠在短時間內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)組件。增材制造借助拓撲優(yōu)化和CFD建模等先進工具，能夠優(yōu)化形狀，保證熱交換器更輕、性能更高，并定制組件的機械和腐蝕特性。學術(shù)界和工業(yè)界目前正面臨新一代換熱器設計和生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。本文概述了采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)熱交換器的材料選擇及性能差異，研究領域尚未全面了解 L-PBF工藝參數(shù)對制造的熱交換器的表面粗糙度、微觀結(jié)構(gòu)和密度的影響。此外，仍然需要仔細分析選擇合適的材料，以制造高質(zhì)量的組件，保證可重復性、再現(xiàn)性和可追溯性。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請點擊轉(zhuǎn)載須知。