（四）机械性能与热处理 l 航空航天应用中热交换器的3D打印

| 3DScienceValley · 2023/12/16

谷专栏

学术界和工业界目前正面临新一代换热器的设计和生产的挑战，借助创成式设计、拓扑优化和CFD建模等先进工具，能够优化热交换器的形状，保证热交换器更轻、性能更高，并定制组件的机械和腐蚀特性。

增材制造实现薄型复杂特征的能力可以通过生产紧凑的热交换器来彻底改变航空航天领域，增材制造热交换器具有高效率和更轻的重量，但尚未成熟。L-PBF选区激光熔融金属3D打印目前作为一种制胜策略正面临新一代换热器设计和生产的挑战，在科学领域是一个备受争议的话题，因为许多技术限制仍需要克服。

结合《Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review》这篇论文，将分享航空航天应用中热交换器3D打印的当前机械性能与热处理相关的内容。

3D打印换热器的主要材料

根据，热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破以及对后处理、产品机械性能的预测与控制。

下一代热交换器的机遇与挑战

首先，用于制造具有薄壁特征的防漏件的工艺参数的优化需要高度的可靠性且可重复性。此外，尚未全面了解L-PBF选区激光熔融金属3D打印工艺参数对制造的热交换器的表面粗糙度、微观结构和密度的影响。此外，仍然需要仔细分析选择合适的 L-PBF用材料，以制造高质量的组件，保证可重复性、再现性和可追溯性。

增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。《3D打印热交换器的资格与认证》一文分析了在产品质量认证范畴中，有两个容易混淆的概念-资格（QUALIFICATION）与认证（CERTIFICATION），而实际上两者是有区别的。资格是生产认证产品的基础，就增材制造而言，意味着整个增材制造工艺流程（包括系统/平台，工艺和材料）都需要经过一定程度的鉴定，才能生产出符合标准、设计规格和最终用途性能指标的认证零件。

实现设计与制造的一体化、可扩展化，这方面EOS发布了《重新构想热交换器》白皮书，白皮书中分享的热交换器设计和生产优化是在无缝数字工作流程中进行的，由 SIEMENS Digital Industries Software 解决方案提供支持。制造过程中的打印控制通过EOS 的Smart Fusion（闭环智能熔融）技术可以减少对支撑结构的需求，而 EOS Additive Minds 顾问则凭借丰富的经验帮助客户定制LPBF工艺参数以满足应用要求，避免工艺效率低下。本白皮书还强调了工艺参数的重要性，良好的工艺参数可减少设计变更，甚至完全无需设计变更，因此可以大幅度减少成本。

机械性能

由于L-PBF选区激光熔融金属3D打印工艺产生独特的柱状微观结构，添加剂成分对机械性能的影响仍然是研究的主题。具体而言，标准的缺乏给准确表征通过增材制造技术制造的材料带来了挑战。因此，科学界尝试使用多种方法来满足分析和解释机械性能的需求，通过多项研究分析了构建方向对拉伸力学性能的影响。

表：收集并列出了增材制造材料和传统铸造材料之间机械性能的比较评估。

l 耐腐蚀

增材制造材料的腐蚀防护机制具有重要意义，表面粗糙度、微观结构和后热处理对于提高材料的腐蚀性能至关重要。对于热交换器来说，高质量的表面或抛光表面处理有助于降低空气和海洋环境中的腐蚀速率，但对于高度复杂的几何形状和内部特征来说很难实现。

对于热处理，不同的温度和时间以及热处理的类型（固溶、时效等）会导致不同的性能，从而导致不同的腐蚀性能。科研领域对AlSi10Mg铝合金进行了大量研究，因为它是使用和研究最广泛的铝合金，而对于其他铝合金，目前却很少有研究发现。

增材制造材料还可采用其他防腐蚀机制，铬酸盐转化涂层（CCC）已被普遍用作表面处理工艺，但由于六价铬化合物的毒性和致癌作用，它们很快就必须被取代。铝阳极氧化是一种利用电化学反应在金属材料表面生成保护性氧化层的过程。等离子体电解氧化（PEO）是近年来最常见和使用的。

后热处理的影响

铝合金的后热处理旨在消除各种制造缺陷和杂质，获得再结晶并改善材料在生命周期中的机械性能和行为。铝合金通常先进行固溶和淬火处理，然后进行人工时效处理。固溶处理涉及将材料保持在高温下，以使合金元素在基体中扩散。随后通常进行水淬，水淬涉及快速冷却，以获得合金元素的过饱和结构，这会显着影响处理的成功。如果未能控制硬化介质的温度和浸入速度等因素，可能会导致因孔隙生长而形成内部气泡，并导致永久变形。

最后，时效处理包括材料的中长期持久性和中低温，以允许强化相沉淀并提高部件的最终机械性能。最常见的铝合金后热处理是 T6 和 T7 热处理，特别是，与 HT T6 相比，HT T7 涉及时效步骤，其特点是温度更高、持续时间更短，以实现显着的晶粒生长增加了材料的抗蠕变性。

图 12. 按照 ASM 手册标准铸造铝合金的常规热处理。