干货综述：3D打印制造热交换器的五种材料选择及性能差异

热交换器的3D打印制造材料有多种选择，需要考虑的主要特性包括密度、导热性、增材制造的加工性能以及最后的成本。最合适的材料要根据组件要求、工作环境和边界条件进行选择。

当前的主要3D打印材料选择有：

• 不锈钢主要用于在高温和腐蚀环境下工作的热交换器制造；

• 镍基合金的导热系数高于不锈钢和钛合金可用于高温应用；

• 钛合金是一种轻质高强材料，也用于制造热交换器；

• 铝合金应用于以轻量化为主要要求、工作温度不超过250℃的领域；

• 铜合金由于其高导热性而成为非常合适的材料，但由于其通过3D打印制造的加工性能较差，因此尚未成熟。

1. 不锈钢

不锈钢由于其优异的机械性能、耐腐蚀性和相对较低的成本，一直被广泛应用于工业领域，因此它们是生产热交换器的良好候选材料。科学界已经克服了不锈钢增材制造工艺中的挑战，并且与传统工艺制造的材料相比，经过热处理的3D打印材料通常具有更优越的性能。许多研究都集中在评估这些合金的微观结构、机械和腐蚀性能，特别是316L奥氏体不锈钢，是最常用且最适合航空航天应用的材料。研究显示了3D打印的316L具有优异的腐蚀性能，表现出比传统材料更高的氧化物稳定性和相似的电阻，同时该材料适合制造薄壁特征。因此，316L是最适合热交换器3D打印的良好候选材料。然而，必须考虑材料的高密度和非异常的热性能。因此，这种材料并不适合制造航空航天应用中的航空发动机热交换器，但可以考虑制造其他工业领域中的热交换器。下图为3D Systems打印的不锈钢热交换器。

2. 镍基合金

镍基合金因其在高温和极高温度下优异的机械性能而广泛应用于航空航天领域。因此，它们也被选用于热交换器的制造。In625和Inl718是最知名的镍基高温合金，研究已经证明了通过这些材料可实现薄壁等特征的3D打印并已研究过各种工艺参数的影响。鉴于这些合金具有出色的腐蚀性和耐磨性，In625和In718将成为保证热交换器优异性能的绝佳候选材料。然而，减少飞机总重量的持续需求使得这些材料不适合制造航空航天领域紧凑型的热交换器。下图为GE通过3D打印制造的In718热交换器。

3. 钛合金

在各工业领域应用最广的钛合金是Ti6Al4V。它是一种具有高强度、低密度、高断裂韧性、优异耐腐蚀性和优越生物相容性的材料。最初，Ti6Al4V合金是为航空航天领域的结构应用而开发的，这种轻而高强的合金可以减轻高负载结构的重量，保持结构部件的可靠性。目前薄壁特征可行性的科学研究已在多项研究中使用Ti6Al4V，因为其可加工性以及最佳参数对微观结构、机械和热性能以及腐蚀和疲劳性能的影响已经评估了一段时间，包括对薄壁定制微观结构和机械性能、残余应力形成的热现象以及对薄壁最终几何形状的影响。研究发现，在薄壁的制造过程中，变形会累积，导致几何形状发生变化；特征高度越大，与标称值的偏差越大。临界点是薄壁在中部，变形趋于稳定到平均值。总的来说，这种材料是热交换器3D打印制造的有前途材料。下图为马里兰大学与 3D Systems 和美国能源部建筑技术办公室合作，3D打印的微型钛合金热交换器单个组件。

4. 铜合金

铜及其合金非常适合传热应用，但也面临许多挑战。它们对杂质敏感，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，高热梯度会导致增材制造过程中分层和弯曲。然而，近年来，人们进行了许多研究铜合金增材制造可制造性的尝试，特别是在传热应用方面。一些研究已经采用添加合金元素的铜合金来降低反射率并提高吸收性能。这些研究主要集中在不同散热器配置和小型热交换器概念的增材制造上。随后，进行了比较分析，以评估这些打印结构与其传统制造差异。铜合金的增材制造还应用于航空航天领域的其他方向。在过去的十年中，多项研究报道了广泛的应用，特别是对液体火箭发动机的燃烧室的兴趣。用于航空航天的铜合金增材制造为制造具有增强的机械、热和电性能的轻质、复杂和定制部件提供了潜力。然而，确保增材制造铜合金零件对于特定航空航天应用的适用性和性能的研究、测试和验证仍在进行中。下图为通快3D打印的铜热交换器。

5. 铝合金

铝合金由于相对于其他金属材料具有高导热性、低密度和低成本，因此最常用于空气-油混合动力系统。铝合金有锻造和铸造形式，可分为可热处理和不可热处理两类。在增材制造中，最合适打印的铝粉通常基于铸造合金，因为增材制造和铸造工艺所需的材料特性相似，如可铸造性、低收缩率以及无凝固或液化裂纹。特别是，使用近共晶金属合金可以提高增材制造的加工性能，并且由于流动性更大，可以减少孔隙率和偏析等缺陷，从而更好的管理凝固阶段的熔池。此外，考虑到当今使用的复杂化学成分，近共晶合金可以实现合金元素更好的均匀化以及基体和组成相的更高稳定性。相反，变形合金不适合增材制造，因为它们需要较长的凝固范围，这会产生热裂纹。铝基材料的每种合金元素之间的相互作用决定了合金的响应和最终性能。当前通过增材制造加工铝面临的挑战包括材料的高反射率和导热率，这可能导致高孔隙率。在L-PBF工艺中，最常见的铝合金是近共晶Al-Si合金，例如AlSi10Mg、AlSi12、A357和A356。作为铸造合金的变体，新铝合金被认为是为L-PBF工艺定制的，包括Airbu sScalmalloy®和Aeromet A20XTM。下图为HRL 3D打印的铝合金热交换器。

通过SLM生产的AlSi10Mg具有超细结构，比铸造或锻造同等材料具有更高的强度，并且在高温下保持良好的极限拉伸强度。因此，它作为钛合金的低成本替代品在航空航天领域获得了应用，并在赛车运动和汽车领域获得了应用，从而为热交换器和发动机缸体部件提供了更大的设计自由度。A20X™基于Al-Cu系并添加了Ti和B，其强度可与7000系列相媲美，并保持良好的延展性，同时在高达250°C的高温下保持强度的能力优于其他增材制造铝合金。Scalmalloy®是一种Al-Mg-Sc- Zr合金，基于5000系列，因含有稀土元素因此不如钛合金具有成本效益，此外其高温性能虽然仍可以接受，但不如AlSi10Mg或A20X™。

2. 摩擦学和腐蚀性能

3D打印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。高质量的表面或抛光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。对于后热处理，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。人们对AlSi10Mg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，对于其他铝合金则研究很少。

3. 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，水淬可快速冷却，获得合金元素的过饱和结构，这会显著影响处理的成功。未能控制因素，如硬化介质的温度和搅拌、浸没速度以及零件的方向，可能会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。

铸造铝合金的常规热处理遵循 ASM 手册标准

L-PBF制造的铝合金的机械性能，打印态和热处理态材料之间的差异

铝合金最常见的后热处理是T6和T7热处理，与T6相比， T7涉及时效步骤，其特点是温度更高、持续时间更短，以实现显著的晶粒生长，从而提高材料的抗蠕变性。铸造铝合金的常规热处理遵循ASM手册标准，对于AlSi10Mg和A20XTM合金，可对照相应的铸造传统材料的标准热处理，而对于Scalmalloy®合金则不存在这些标准热处理。因此，对该合金进行了专门的热处理研究，建议的热处理包括在325°C温度下进行4小时的单一步骤或热等静压。研究发现， 325°C是理想的热处理温度，有利于Al3Sc沉淀物的形成，从而赋予热处理合金优异的性能。研究人员总结了3D打印不同铝合金的机械性能，打印态和热处理态之间的差异许多研究都集中在包括铝合金在内的多种增材制造金属合金的后热处理的优化上，并且特别关注标准处理效果的研究。

END

热交换器通常通过传统的制造策略生产。增材制造，特别是 L-PBF工艺可以生成复杂的几何形状，从而能够在短时间内大规模生产组件。增材制造借助拓扑优化和CFD建模等先进工具，能够优化形状，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。学术界和工业界目前正面临新一代换热器设计和生产的挑战。本文概述了采用增材制造技术生产热交换器的材料选择及性能差异，研究领域尚未全面了解 L-PBF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。