霍尼韦尔对3D打印镍基高温合金材料进行多维度测试

在航空航天领域,高温合金材料应用于制造喷气涡轮发动机关键区域中的零部件,如燃烧室、高压和低压涡轮区域、压缩机后端等。这些区域中的所有零件都暴露于高温和更高水平的氧化作用下。

粉末床激光熔化(L-PBF)金属3D打印技术凭借在复杂结构制造中的优势,在高附加值功能集成高温合金零件制造中备受重视,尤其是在制造集成先进冷却结构的高温合金零部件领域发挥了传统技术难以发挥的作用。此外,发动机高温组件通常是非常昂贵的,L-PBF工艺能够减少材料浪费,并能够缩短交期,使制造商从库存管理中受益。然而,L-PBF进行高温合金增材制造仍存在挑战,例如由于强烈的温度梯度导致亚稳态的化学、结构和机械状态,从而产生影响性能的冶金缺陷。

镍基合金是传统制造工艺常用的高温合金材料,例如IN738、IN713和MarM247。但由于传统镍基高温合金材料的化学性质与激光熔化3D打印技术并不兼容,因为它们不能对快速的热梯度变化做出很好的响应,并且实际上不可能控制焊接过程中的开裂量,因此这些合金材料更多是使用冷却速率相对较低的铸造方法加工的。

航空航天制造用户如果希望应用L-PBF 3D打印技术提升高温应用的竞争优势,找到专门适用于这一3D打印技术并且不损害结构完整性的高温合金材料就成为关键的一环。根据3D科学谷的市场观察,霍尼韦尔所开展的新型镍基高温合金材料-ABD®-900AM的测试工作,正是在推动高温合金的增材制造应用。

为增材制造而优化的材料

block 高抗裂性与高致密度

ABD®-900AM是Alloyed 面向粉末床激光熔化3D打印技术开发的一种镍基高温合金材料,用于高强度和/或中等蠕变能力的部件的增材制造。静态强度接近铸造IN-713C的强度。该材料就以下几点进行了优化:

优化

  • 900°C时的强度
  • 抗应变和凝固裂纹
  • 抗氧化

Part_Material_900AM_aero-magABD®-900AM3D打印的燃烧室样件。来源:aero-mag

ABD®-900AM的增材制造应用包括:静态航空航天发动机部件、热交换器、具有内部冷却要求的组件。

Part_Material_900AM_aero-AlloyedL-PBF工艺3D打印打印的CM247LC®,718合金和ABD®-900AM的裂纹长度和分布图。来源:Alloyed

根据Alloyed的技术资料,通过使用L-PBF 3D打印技术对ABD®-900AM材料进行性能评估表明,与增材制造中常用的合金相比,ABD®-900AM 具有更高强度和可制造性,并显示出高抗裂性和99.9%的密度。

Part_Material_900AM_aero-Alloyed_2经过热处理的3D打印合金718和ABD®-900AM机械性能评估。来源:Alloyed

对ABD®-900AM与718合金的机械性能进行了比较。在高于800摄氏度时,ABD®-900AM的屈服应力至少提高30%,蠕变温度能力最高提高100摄氏度。

block 从材料到工艺的多维度测试

霍尼韦尔进行了一系列测试,以确认和优化合金的性能,并获得了一些非常积极的结果。测试从以下几点展开。

l 可制造性

重点是评估ABD®-900AM镍基高温合金材料在L-PBF 增材制造时的合金性能,以及这一过程中产生的热梯度是否会损害最终零件的完整性。霍尼韦尔在德国 EOS 金属3D打印系统中试用了各种测试几何形状,并进行了组件规模测试,发现在打印条件下无裂纹导致的变形,测试零件具有良好的表面光洁度。

l 粉末可回收性

当考虑使用金属增材制造工艺的经济性时,能够对为熔化粉末进行再利用是一个重要因素。霍尼韦尔对回收再利用粉末进行了测试,与新粉末相比,回收粉末制成的零件的性能没有明显变化。

l 后处理能力

3D打印零件通常需要进行后处理,后处理工艺可能会影响材料的机械性能,进而影响零件的功能。真空热处理和热等静压(HIP)常被用于消除金属3D打印零件的内部空隙,霍尼韦尔也进行了相应测试,在经过后处理的ABD®-900AM 材料3D打印零件上未发现“焊后”裂纹。

拉伸试验

霍尼韦尔进行了ASTM标准拉伸试验,测量了两个构建方向的拉伸强度、断裂强度、最大延伸率和427°C至927°C之间的面积减小。该测试表明测试点具有良好的可重复性,ABD®-900AM 材料的高温强度与传统铸造镍合金相当。

低周疲劳测试

低循环疲劳(LCF)是低循环耐久性测试,其中组件经受机械循环塑性应变,从而在短周期内导致疲劳失效。霍尼韦尔在650°C下对ABD®-900AM材料进行了低循环疲劳测试,结果表明,没经过热等静压处理的ABD®-900AM 材料零件比经过热等静压处理的718合金具有更好的性能。

霍尼韦尔与Alloyed之间的工作结果表明,ABD®-900AM的焊接和熔融性良好。尽管由于氧化性能ABD®900AM材料在大多数情况下不能代替铸造用CM Mar-247材料,但与Mar 247、IN792、IN713或IN738相比,它在高温下确实具有非常好的机械性能。

3D科学谷Review

根据3D科学谷的市场观察,镍基高温合金3D打印已与下一代航空航天发动机、燃气轮机制造结下了“不解之缘”,通过改变设计与制造逻辑提升发动机高温部件的性能。

block 一体化叶盘

研发领域,国际上ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员,来自亚琛工业大学数字化增材生产DAP的涡轮机械专家与Fraunhofer弗劳恩霍夫生产技术研究所IPT合作一体化叶盘由镍基超级合金IN 718制成,研究人员成功地为叶盘开发了L-PBF 3D打印制造工艺,还应用了点阵晶格结构来支撑构建过程中的部件,使得后期需要去除的材料显著减少,并且避免了铣削过程中的振动。

ACAM_Blade Disk

block 燃烧器

霍尼韦尔在刚获得的专利中披露了通过3D打印技术开发双壁燃烧器的细节。与常规的双壁结构不同,霍尼韦尔开发的双壁结构将冲击冷却和喷射冷却组合成单个结构。用于从热侧壁传导热量并减小热梯度,从而减轻了平面应力。这种设计还提供了最小的占地面积,相对于传统的双壁结构,潜在地减轻了重量。

Patent_US10775044B2燃气涡轮发动机中实施的双壁热段结构的一部分的剖视图。来源:US10775044B2

图中双壁结构300(第一壁,第二壁和基座)是一体化的结构,使用选区激光熔化增材制造工艺来制造,双壁结构通过镍基高温合金制造,可以在形成冲击冷却孔308和喷射冷却通道312之后施加涂层和或隔热涂层。

block 热交换器

L-PBF 3D打印技术还在催生下一代热交换器的发展,2019年GE宣布与马里兰大学和橡树岭国家实验室合作研发UPHEAT超高性能换热器,在两年半内完成开发计划,实现更高效的能量转换和更低的排放。GE希望新型换热器将在超过900°C的温度和高于250 bar的压力下运行,超临界CO2动力循环的热效率提高4%,在提高动力输出的同时减少排放。材料方面,这种新型换热器将利用独特的耐高温,抗裂的镍基超合金,这是GE研究团队为增材制造工艺而设计的材料。该热交换器包括多个增材制造方法,使流体通道尺寸较小,具有较薄的壁而形成的流体通路,以及具有错综复杂的形状,这些热交换器使用先前传统的制造方法无法制造出来。

block 功能集成的核心机

涡轮机制造企业 Sierra Turbines 对于微型涡轮提出了设计优化目标,并通过L-PBF 3D打印技术实现这些目标。

通过使用制造商VELO3D的金属增材制造(AM)技术,Sierra Turbines将关键组件的零件数量从61个减少到1个,并且还获得了许多重要的性能提升。这款核心机所采用的3D打印材料为镍超合金,是许多大型燃气轮机燃烧室的首选材料。增材制造使Sierra Turbines能够获得复杂的设计功能,以提高热效率和获得更长的维修间隔,这是前所未有的突破。

block 预混合器

西门子成功地为SGT-A05航改式燃气轮机降低了排放量,通过3D打印干式低排放(DLE)预混合器获得了令人印象深刻的结果,显示出可显着降低CO排放。这一成就进一步巩固了西门子世界领先的增材制造创新应用以及其能源领域的地位。

Siemens_turbine_SGT-A05西门子开发的SGT-A05燃气轮机的3D打印干式低排放(DLE)预混合器。来源:西门子

西门子通过3D打印制造这种特定燃气轮机部件所取得的成就是显着的。从概念到发动机测试,开发只用了七个月,这对于需要如此严格的公差并且在高负载和温度下工作的组件而言是令人印象深刻的。DLE预混合器非常复杂,使用传统的铸造和CNC机加工制造方法涉及20多个零件。通过使用西门子合格的镍基超级合金作为增材制造材料,3D打印预混合器部件仅需要两个部件组成,并且交付周期减少了约70%。

DLE预混合器的3D打印使西门子能够简化生产过程中的复杂性,减少供应链中的外部依赖性,并改善组件的几何形状,从而实现更好的燃料 – 空气混合。

制造是镍基高温合金等超级合金应用的“致命弱点”,而如果没有通过铸件机加工进行冗长而昂贵的减法制造,就无法获得结构上良好的机械性能。而3D打印可以有效地制造复杂的结构,这些结构通常很难实现,例如在以上3D科学谷Review 中我们回顾的叶盘、内部集成冷却通道的部件、点阵结构。[1]

但多数常规镍基高温合金无法从精密铸造工艺过渡到3D打印技术中使用,因为这些材料是针对铸造等传统工艺进行优化的。由于3D打印过程的快速重复热循环,可以通过成分计算数据驱动的方式设计出针对3D打印工艺参数的新成分,从而针对增材制造的高冷却速率调整微观结构和性能。因此,面向增材制造工艺对镍基高温合金材料进行优化,减轻其冶金缺陷,推出适合3D打印的合金材料,在推动高温合金增材制造应用过程中起到重要作用。[1]

霍尼韦尔测试的3D打印镍基合金材料将在航空发动机等领域的增材制造中发挥怎样的作用,3D科学谷将保持关注。

参考资料:

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

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