GRX-810超级合金，是3D打印行业近几年开发的最重要的材料之一，它由NASA格伦研究中心于2022年首次推出，并于2024年投入商用。 该材料的关键开发人员蒂姆·史密斯，因推动这款材料从概念阶段发展成为完全商业化的产品，而荣获美国宇航局年度商业发明奖。 3D打印技术参考注意到，蒂姆·史密斯于近日首次解释了该材料为什么如此重要，并透露NASA正在针对该材料拓展更多3D打印工艺，这预示着GRX-810将会有更广泛的应用。 ➡️ GRX-810的开发背景 史密斯提到，Nasa格伦研究中心的工程师大约在七八年前，曾希望利用3D打印技术来制造喷气式涡轮发动机燃烧室穹顶的新结构。问题在于，它必须在约1100摄氏度的极高温度下运行。 但是，他们使用当时市面上已有的高温合金3D打印出来的部件，都在测试中失效。于是他们找到材料研究人员，询问是否可以买到其他能够承受高温的3D打印材料。 史密斯团队告知没有，同时萌生了开发能够用于3D打印的新型高温合金的想法。这便是该材料研发的开端，最终催生了GRX-810合金的诞生。 ➡️ 性能表现让开发人员意外 对于该材料是否容易打印，史密斯表示GRX-810只是在原料中添加了纳米氧化物，使用常规参数、甚至不需要加热底板就可以打印，而且材料密度高，性能强悍。 让研究团队意外的是，该材料的抗蠕变性能同样突出。之前的ODS合金预期寿命约为80-100小时，这已经是普通高温合金寿命的五倍，而GRX-810的使用寿命达到了6000小时甚至更长。 这远远超出了研究人员的预期。过去几年，他们一直在努力探究其性能提升如此显著的原因。 史密斯提到，“这是一种非常神奇的合金，我们仍在不断了解它的新特性。早期型号的成分几乎完全符合预期。每当我们试图改变成分时，通常只会适得其反，这种合金的研发过程非常有趣。” 这些性能表现不仅吸引了航空航天领域的用户，能够用于航空航天发动机燃烧室超高温抗氧化零件，同时也收到了来自汽车领域的咨询，例如它可以用于制造F1赛车的涡轮增压器、高温测试夹具、温度探头、腐蚀性环境仪器等极端应用场景。 ➡️ 拓展多种3D打印工艺制造GRX-810 目前，GRX-810已完全适配激光粉末床熔融3D打印工艺，但史密斯透露NASA正在拓展更多其他工艺来制造该材料。 其指出，LPBF是当前具有最高技术成熟度的3D打印工艺，但其打印尺寸、打印效率均有限，如果需要快速制造大型物件，激光粉末床熔融工艺可能并非最佳选择。 而且，该研究团队还收到了采购GRX-810板材的行业咨询，但史密斯指出它是一种完全用于3D打印的合金，只能通过增材制造技术生产，这也是他们希望探索其他具有更高沉积速率的增材制造技术的原因。 笔者查询到，NASA正在探索使用能量沉积丝材和冷喷涂技术3D打印GRX-810的方法。 史密斯指出，他们已经采用丝材3D打印了一些 GRX-810 部件，但并未指出使用的激光还是电弧。同时，笔者认为采用激光的可能性更高。 此外，笔者从其他渠道还查询到，犹他大学、宾夕法尼亚州立大学和Elementum 3D公司获得了NASA小型企业技术转移 (STTR) 第一阶段拨款，用于开发GRX-810的冷喷涂增材制造技术。 无论是基于丝材的激光或电弧能量沉积，还是使用冷喷涂，这些技术都能够以更高的速度3D打印更大尺寸的零件。 最后， 笔者于近期还注意到一条信息，国内有企业发布消息称，已经成功研发出国产版的GRX-810合金粉末。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。#GRX810 #3D打印 #超级合金

高温合金是航空发动机和燃气轮机热端部件，航天发动机推力室、涡轮泵，化工领域的反应器与换热器等领域的重要材料。 如今，金属3D打印的高温合金已经广泛应用在这些领域。但琳琅满目的材料种类纷繁复杂，分别适用于具体的应用场景往往难以分清。 笔者从EOS官网查询到其镍基高温合金有NiCP、HAYNES® 282®、K500、IN625、IN718、IN718 API、IN738、IN939、HX、C22。本文内容将基于此，对这些材料的特性及使用场合进行介绍。 ➡️ 腐蚀优先环境 NiCP |IN625 |C22 |K500 为酸性、海水和酸性服务而设计，耐久性比强度更重要 EOS NiCP是一种商业纯镍合金，镍纯度最低为99.0%。其高纯度确保了出色的耐腐蚀性，是化工和半导体行业的理想选择。 EOS NickelAlloy IN625是一种耐热、耐腐蚀的镍基合金粉末，专门针对 LPBF系统的加工工艺进行了优化。零件具有高拉伸强度、蠕变强度和断裂强度，并且耐热、耐腐蚀。 EOS NickelAlloy C22是一种具有高耐腐蚀性的镍铬钼合金。材料具有高度耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂特性，能够用于化学加工组件和食品加工领域 EOS NickelAlloy K500打印件具有良好的机械强度，即使在高温下也能保持，因此非常适合需要高性能和耐用性的应用。零件在恶劣的环境（如海洋环境和化工厂）中表现出色，可抵御海水、氢氟酸和硫酸的腐蚀。 ➡️ 性能平衡，3D打印应用主力 IN718 |IN718 API 高强度+耐疲劳，最高可达~650°C 航空航天+石油与天然气认证可用 EOS NickelAlloy IN718在高达700°C的温度下，部件具有良好的拉伸强度、疲劳强度、蠕变强度和断裂强度，因此非常适合许多高温应用，如燃气轮机部件、仪器仪表部件、电力和加工工业部件等。 ➡️ 中高温使用（700–950°C） HAYNES® 282® 燃烧室、过渡管道、热系统 强抗氧化性且制造性更佳 该材料是一种沉淀强化镍基超级合金，具有独特的高温强度、热稳定性和可制造性。该合金专为高温结构应用而开发，可用于航空航天和火箭发动机部件、涡轮机械和燃气轮机部件以及能源工业组件。 ➡️ 极端温度使用（>1000°C） IN738 |IN939 |247 涡轮叶片，热截面部件 蠕变抗性定义生命周期的领域 EOS NickelAlloy IN738是一种高强度镍基超级合金，具有优异的高温强度、抗蠕变性和氧化性，适用于高应力和高温应用，如燃气轮机部件、火箭发动机涡轮泵以及船用和车用涡轮增压器等。 EOS NickelAlloy IN939打印零件在高达850°C的温度下具有很高的拉伸强度、疲劳强度、蠕变强度和断裂强度，并具有优异的耐腐蚀性和抗氧化性。零件在制造和热处理状态下均无裂纹，并具有抗应变时效开裂的能力。该材料需要进行短期的热处理，但不需要热等静压处理。 EOS NickelAlloy 247具有高强度和高温耐久性，但该材料的加工较为困难，EOS采用光束整形技术解决了这一挑战。 采用3D打印技术制造高温合金零部件，同样能够充分利用该技术的制造优势，如集成复杂内部冷却流道、减少零件数量和组装，在不牺牲强度的前提下优化重量，同时还支持关键组件的快速迭代。 当前，主要的应用3D打印材料包括铁基合金、钛合金、高温合金、铝合金和铜合金。高温合金的用量虽不及其他几类，但仍是多个行业特定应用的领域的必备选择。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#高温合金 #3D打印

3D打印技术参考注意到，由我国明阳氢燃动力科技有限公司开发的全球首台30兆瓦级纯氢燃气轮机“木星一号”机组，于2025年12月28日实现纯氢发电并保持稳定运行。 据南方plus等多个官方媒体报道，“木星一号”机组使用了一体3D打印的燃烧室喷嘴，助力攻克了该领域的三大技术难关。 氢气燃料在燃烧过程中存在“易回火、强振荡、排放高”的技术难点，要解决这些问题，就必须对燃烧室喷嘴的结构进行优化设计，才能实现可控和均匀燃烧。 全球范围内第一个金属3D打印规模化应用示范项目，就是燃烧室燃料喷嘴。2012年，GE推出了采用3D打印技术开发的航空发动机燃油喷嘴，并在随后几年实现了规模化制造，让行业认识到金属3D打印技术可以这样“玩”。 GE对金属3D打印技术应用的重点就是大量组合零件，实现一体化制造。而传统的喷嘴是由20多个零件通过焊接而来，制造工艺长、过程复杂，同时存在连接点脆弱、精度差的问题。GE通过使用3D打印，一举打破了传统制造的这些不足，让零件的耐用性提升了5倍，重量减轻了25%，成本效益也提升了30%。 在喷嘴应用中，涉及到复杂的狭窄流道、异形曲面，这些是传统制造难以加工的。而3D打印使用的微米级光斑则可以实现这些复杂结构的高精度制造，且通过合理的工艺参数、热处理，可以实现钴基、镍基等高温材料的高性能制造。 明阳氢燃动力科技有限公司申请的喷嘴专利示意图 笔者通过查询明阳氢燃动力科技有限公司申请的《适用于纯氢燃气轮机的喷嘴》专利，发现其结构设计极为复杂。同时笔者注意到，飞而康曾在2024年介绍其团队助力该项目制造了燃烧室重要部件，其通过调校打印激光参数、稳定热处理工艺制度、优化后处理工艺、热等静压（HIP）工艺等方法，突破了打印工艺的稳定性、一致性、重复性、控形控性等难点，解决了燃机零件狭小流道、异形曲面、复杂结构的加工制造难题，消除了零件内部潜在的疏松、缩孔等细微缺陷，实现了零件质量上的精益求精，有效助力明阳“木星一号”高效率、低成本完成测试件加工制造，为实现燃气轮机核心热端部件国产化替代提供了有力的技术保障。 另据铂力特公司2025年1月报道，该公司通过金属3D打印技术为“木星一号”关键零部件的制造提供了创新解决方案。其指出，这些零件对材料性能和制造精度有极高要求，传统工艺成本高、耗时长、且难以满足复杂结构与高性能需求。铂力特根据客户需求确定出合适的工艺，使用BLT-S615设备，成功一体打印出11个关键零部件，均满足客户标准，为项目的顺利推进奠定了坚实基础。 可以看出，“木星一号”机组的燃烧室喷嘴等部件不仅采用了3D打印工艺，而且很大情况下是为应对极端挑战而不得不采用的关键制造技术。一体化制造、高精度制造、复杂流道/曲面制造是该技术应用的重要特点，而机组运行稳定证明了我国3D打印技术制造的可靠性。另据报道，该机组联合循环一小时发电量约4.8万千瓦时，可满足5500个家庭一天的用电需求。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印

3D打印技术参考注意到，一个来自韩国的研究团队，在不久前开发了一种适用于太空使用的新型3D打印高性能金属合金。该合金通过在纳米级晶胞结构边界上添加碳产生细小分布的纳米碳化物颗粒，显著提高了在极低温度（-196°C）下的机械性能，与无碳合金相比，新合金的抗拉强度和延展性提高了140%以上。特别是在-196°C时，合金的伸长率是24℃时的两倍，显示了其在低温环境下的适用性。 研究人员指出，这项研究为开发极端环境下使用的新型合金提供了重大突破，并可能显著提高航天运载火箭部件的性能。增材制造工艺实现的微观结构控制为未来高性能合金设计提供了宝贵信息。开发的合金在复杂部件如航天火箭发动机的燃油喷射器和发电涡轮喷嘴等方面具有潜在应用，有助于提高在苛刻太空条件下使用的部件的性能和寿命。该研究以“Cryogenic tensile behavior of carbon-doped CoCrFeMnNi high-entropy alloys additively manufactured by laser powder bed fusion”为题，发表在《Additive Manufacturing 》杂志上。 本研究系统地探索了通过激光粉末床熔融（LPBF）技术增材制造的碳掺杂CoCrFeMnNi高熵合金（C-HEA）的低温拉伸行为。激光粉末床熔融（LPBF）3D打印技术，能够制造复杂结构金属零件，在制造业中占据着重要地位。LPBF过程中的极端热循环允许生成特殊的微观结构，如异质各向异性晶粒结构、纳米尺寸的晶胞以及溶质偏析，可显著提高材料的强度和塑性。因此，LPBF过程可以扩展控制金属材料力学性能的微观结构变量。 实验过程 实验使用的名义成分为(CoCrFeMnNi)99.5C0.5（原子百分比）的球形粉末作为原料。使用商业LPBF机器在316 L不锈钢基板上打印尺寸为30×6×6mm的矩形样品。LPBF过程中，样品以双向激光扫描（之字形扫描模式）打印，层与层之间旋转180°，激光功率为90W，扫描速度为200mm/s，层厚为25μm。通过感应耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和碳/硫分析确定了粉末和打印样品的全球化学成分。 结果与讨论 1. 3D打印C-HEA的分层异质微观结构 LPBF C-HEA的初始微观结构显示了与LPBF过程中激光轨迹重复熔化/凝固相关的晶粒结构形态。异质各向异性晶粒结构通过促进塑性变形期间的应变梯度影响LPBF样品的拉伸性能。平均晶粒尺寸估计为60.1 μm。在C-HEA样品的YZ平面上获得的电子通道对比成像（ECCI）微观图显示了具有纳米尺寸沉淀物的凝固细胞。在LPBF材料中，凝固细胞是连接微米级晶粒和纳米级沉淀物的关键微观结构。由于LPBF期间的超高冷却速率，细圆柱形细胞沿熔池中的温度梯度生长。 (a) 伪三维EBSD-IPF图(b) ECCI和(c) 来自打印样本YZ平面的TEM-BF显微图像 打印样品的STEM-BF显微图像和替代元素的EELS映射结果 (a) TEM-BF和 (b) HAADF显微照片，展示了样品中凝固晶胞周围的区域。(c) TEM-BF(d) 选SADP以及 (e) EELS映射结果，展示了C-HEA中纳米级沉淀物的分析结果 2. C-HEA的低温拉伸性能 在298 K和77K下对C-HEA进行拉伸测试的结果表明，C-HEA在77K时的应力水平远高于298K，而C-HEA在77K时的拉伸延伸率显著高于298K。在298K时，C-HEA的屈服强度、抗拉强度和总延伸率分别为721 ± 12 MPa、827 ± 21 MPa和22.2 ± 2.1%。在77K时，屈服强度、抗拉强度和总延伸率分别为920 ± 8 MPa、1220 ± 10 MPa和39.2 ± 4.9%。值得注意的是，C-HEA在低温下的均匀延伸率（38.9%）是室温下的两倍多（14.7%）。 (a) 工程应力-应变曲线(b) 工程硬化率，以及C-HEA在298 K和77 K下真实应力与真实塑性应变的关系 3. C-HEA在低温变形期间的变形机制 通过EBSD图像质量（IQ）图观察了在低温和室温下预应变样品的微观结构演变。在77K时，C-HEA在变形的早期阶段积极演变变形孪晶，而在298K时变形的样品中几乎找不到微观束状孪晶。由于孪晶比位错滑移更难启动，流动应力应超过临界孪晶应力才能启动变形孪晶。临界孪晶应力与金属材料的堆垛层错能（SFE）和晶粒尺寸密切相关。通过降低材料的SFE，临界孪晶应力会降低，而较小的晶粒尺寸会增加临界孪晶应力。 电子背散射衍射（EBSD）图像质量（IQ）图显示了在全局应变为(a, c) 6.3%，(b, d) 12.5%，(e) 18.7%，和 (f)…

3D打印技术参考注意到，由美国宇航局（NASA）格伦研究中心开发的新型镍钴铬氧化物弥散强化（ODS）高温合金GRX-810，日前已实现商业化销售。NASA与知名金属3D打印材料开发商Elementum 3D已签订共同独家许可协议。 2024年10月31日，Elementum 3D向客户交付了首批商业化生产的GRX-810材料，并宣布其生产能力可达每周1.5吨。需要指出的是，两家机构的合作并非首次，3D打印技术参考于2023年还报道过，双方还合作开发了能够用于发动机喷嘴3D打印的铝合金。除Elementum 3D之外，NASA还授权另外三家公司生产GRX-810，分别是Carpenter、Linde、Loveland。这一成就标志着NASA加速GRX-810合金应用以促进美国技术发展的目标提前实现。 Elementum 3D的创始人兼首席执行官Jacob Nuechterlein博士表示：“我对Elementum 3D团队能够迅速将NASA的GRX-810合金推向市场感到无比自豪。在短短六个月内，我们不仅开发出了一套合格的制造工艺，还实现了GRX-810的量产，这充分展示了我们从概念到现实的转化能力。” GRX-810材料的商业化预示着一系列潜在的技术突破，包括制造更轻、更薄的发动机部件，提高燃油效率，降低运营成本，增强耐用性，以及提升在更高工作温度下的能力。 针对LPBF工艺打印的GRX-810的典型性能数据 在高温环境下，GRX-810相较于其他可打印高温合金，其抗蠕变性能提升了1000倍，强度和抗氧化性能提高了两倍。 蠕变寿命是指材料在高温下承受持续应力而不发生故障的时间。蠕变是高温下零件承受离心力、重力、压力或其他长期应力载荷的主要失效机制。GRX-810的卓越蠕变性能直接意味着零件寿命的延长、工作温度的提升和负载能力的增强。 EOS新推出两种超级合金 2024年11月，工业3D打印制造解决方案的领先供应商EOS新增2种新型金属增材制造镍基超级合金材料：EOS Nickel Alloy IN738与EOS Nickel Alloy K500。这两种材料都能为采用EOS激光粉末床熔融3D打印技术的各行各业提供卓越的性能、零件特性和价值。 IN738适用于在极端压力下运行的高性能能源部件和涡轮机械系统。它是一种镍基材料，集高强度和耐热性于一身，抗拉强度达1265MPa，伸长率为4.5%。与传统制造的超级合金相比，EOS IN738可承受更高的温度环境，在涡轮叶片和其他能源部件等高压力应用中的劣化程度明显降低。使用EOS IN738生产的增材制造部件还将利用工业3D打印设计优化的固有优势，从而提供额外冷却并延长部件的整体使用寿命。 EOS IN738与IN939、Haynes282的性能比较 EOS IN738打印的涡轮叶片 K500是应一家大型航天发射组织的要求而开发的，它为寻求强度和适度导热性平衡组合的制造商提供了完整的解决方案，同时兼顾了镍合金和铜合金的性能。这种材料非常适合推进器和喷嘴等太空应用，以及制造泵和阀门的化学加工商和海事应用。 EOS金属材料业务开发经理JuhaKotila表示，“EOS K500填补了3D打印两种材料之间的重要空白，即镍超合金的高机械强度和铜合金的导热性。EOS材料开发团队成功地创造了EOS K500，作为同时需要机械强度和导热性的太空应用或极端条件下的解决方案。” ORNL开发迄今最轻3D打印无裂纹高温合金 3D打印技术参考于10月18日注意到，美橡树岭国家实验室（ORNL）和美国家能源技术实验室（NETL）的研究人员成功研发并3D打印出了一种迄今最轻且无裂纹的合金，该合金能够在1315℃以上的高温下不会熔化。这一创新成果能够显著提升涡轮叶片的增材制造水平，它不仅能承受更高的温度，还能减轻飞机和燃气涡轮机的重量。 这种新型合金由七种元素组成，富含铌，形成了复杂的合金结构。其熔点比橡树岭国家实验室之前研发的镍钴超合金至少高出48%。通过精确调整电子束熔融工艺，研究人员成功打印出了该合金的测试部件。 3D打印技术参考认为，采用EBM工艺是实现该新合金无裂纹3D打印的关键。由于电子束熔融工艺本身具备的高温特性以及电子束偏转与聚焦方面的高度灵活性，该工艺已被证明在裂纹形成方面敏感性较低。文献中已报道了Inconel 738、Rene142和CMSX-4等多种易开裂合金的成功电子束熔融加工案例，GE航空航天公司则采用EBM工艺批量3D打印易开裂的TiAl合金发动机叶片。 END 3D打印技术的发展正推动材料科学进入一个新的时代，特别是在高温合金的应用上。GRX-810的成功商业化不仅展示了如何将实验室的创新技术转化为市场上的实用产品，而且强调了公私合作在加速技术发展和应用中的重要性。此外，新材料的卓越性能，预示着3D打印技术在提高工业部件性能、降低成本和推动可持续发展方面的潜力。 通过3D打印技术，可以开发出更轻、更强、更耐用的材料，从而在航空航天、能源和化工等行业中实现更高效的运作和更低的环境影响。这些进展不仅对特定行业具有重要意义，也对全球材料科学和制造技术的进步具有深远影响。

2024年11月，工业3D打印制造解决方案的领先供应商EOS新增2种新型金属增材制造镍基超级合金材料：EOS Nickel Alloy IN738与EOS Nickel Alloy K500。 这两种材料都能为采用EOS激光粉末床熔融3D打印技术的各行各业提供卓越的性能、零件特性和价值。 新型镍基超级合金 EOS IN738，适合高温、高应力工作环境 EOS IN738适用于在极端压力下运行的高性能能源部件和涡轮机械系统。它是一种镍基材料，集高强度和耐热性于一身，抗拉强度达1265MPa，伸长率为4.5%。与传统制造的超级合金相比，EOS IN738可承受更高的温度环境，在涡轮叶片和其他能源部件等高压力应用中的劣化程度明显降低。使用EOS IN738生产的增材制造部件还将利用工业3D打印设计优化的固有优势，从而提供额外冷却并延长部件的整体使用寿命。 图1：EOSIN738MPa与IN939、Haynes282的比较 总部位于温尼伯的Precision ADM公司为EOS IN738提供了一个早期测试案例，为一家加拿大能源客户生产涡轮叶片，该客户正面临供应链和备件库存短缺的压力。该项目既是对EOS IN738的测试，也可能是已知的首次在旋转涡轮机械部件中使用3D打印的测试。 该公司医疗和工业销售及业务发展总监表示，“采用EOS技术和EOS IN738材料，我们成功生产出了一个涡轮发动机叶片，其转速达到了标准运行转速的110%，并能承受主动涡轮产生的高达900℃的高温。这些测试不仅展示了首次成功3D打印的涡轮发动机叶片，还证明了EOS IN738能够承受涡轮机械应用所需的高热量和高应力。简而言之，EOS IN738对于该项目的成功至关重要。” EOS K500，兼顾镍合金和铜合金的性能 EOS K500是应一家大型航天发射组织的要求而开发的，它为寻求强度和适度导热性平衡组合的制造商提供了完整的解决方案，同时兼顾了镍合金和铜合金的性能。这种材料非常适合推进器和喷嘴等太空应用，以及制造泵和阀门的化学加工商和海事应用。 EOS金属材料业务开发经理JuhaKotila表示，“EOS K500填补了3D打印两种材料之间的重要空白，即镍超合金的高机械强度和铜合金的导热性。EOS材料开发团队成功地创造了EOS K500，作为同时需要机械强度和导热性的太空应用或极端条件下的解决方案。” EOS K500微观形貌 EOS将继续为在具有挑战性的条件下使用增材制造部件的行业提供先进的材料解决方案。EOS IN738为高应力、高温应用提供了无裂纹解决方案，而EOS K500则集强度、耐腐蚀性和导热性于一身，使其应用在极端温度下也能表现出色。 EOS产品管理负责人表示，“随着这些新材料加入我们的金属材料组合，可以拓宽我们的应用范围，扩大工业3D打印的覆盖面。” EOS IN738和EOS K500将于2024年12月在所有EOS M290系列平台上投入商用，预计2025年上半年在EOS M400-4平台上投入商用。

增材制造行业正以超过20%的复合年增长率增长，到2030年，全球将有超过270万台3D打印设备。医疗、航空航天和汽车均是利用增材制造技术快速增长的热门行业。随着这些行业不断寻找3D打印技术的新应用，打印材料的物理性能正在被推向极限。 汽车增材制造市场的各个方面都将不断增长，到2029年该行业的产值将达到100亿美元 金属3D打印的工艺种类多种多样，由于许多实际原因，如高精度、高制造质量，易于后处理及原材料回收等，激光粉床熔融 (LPBF) 是最广泛使用的技术。为了实现具有高传热性能零件的精确打印，选择最合适的打印粉末至关重要。因并非所有金属粉末都能应对热交换器的恶劣环境，材料的热导率、耐腐蚀性和强度等均是影响因素，3D打印技术参考此前曾详细介绍了可用于热交换器3D打印的金属粉末种类。 Conflux是全球领先的采用3D打印技术开发热交换器的企业，该公司增材制造工程师Ian Fordyce博士强调，““对于高性能热交换器，我们一直在努力使壁和翅片尽可能薄，我们处理的厚度与粉末的粒径和激光光斑尺寸处于同一数量级。因此，小至10微米的误差对我们来说意义重大。这可能会减少我们可以放入热交换器中的翅片数量，并影响表面粗糙度并增加壁厚，所有这些都会降低热交换器的热性能。” 精确的构建可实现紧密封装的组件并轻松组装最终产品 高性能金属打印粉末的特点 选择材料的第一步是了解其可打印性，不同粉末的可打印性可能存在巨大差异，可打印性定义为材料物理打印几何形状而不导致构建失败的能力。例如，硬钢和镍合金在打印过程中会产生残余应力和翘曲，导致它们脱离打印平台并与铺粉机构相撞。即便完成打印，材料的密度也会较低，携带可能导致故障的孔洞。 实现高质量构建的关键是使用具有一致粒度分布和最佳成分的粉末。为了保证这一点，Conflux遵循严格的质量控制程序，使用光谱分析和拉伸棒的机械测试来跟踪新粉末和回收粉末的成分。这不仅可以监测粉末中每种成分的含量，还可以监测回收过程中形成的氧化层的量。 使用具有一致粒度分布和最佳成分的粉末可以实现复杂的翅片设计 一旦粉末被认为是可打印的，重点就会转移到分析打印材料的物理特性。用于某些热交换器的合金需要应对800°C以上的温度。除此之外，由于汽车、航空航天和能源应用中使用的冷却剂种类繁多，它们还需要具有高疲劳寿命和耐腐蚀性。 Ian Fordyce博士表示，“当谈到热性能时，对我们来说最重要的特性是强度。如果我们可以使用强度更高的材料，那么就可以让壁厚设计的更薄，从而缩短传热路径，最终使热交换器的性能更高。大多数人认为导热率也很重要，但我们发现，对于我们正在处理的壁厚，导热率变得不那么重要。例如，铜的导热率比铝更高，但如果我们必须使壁更厚以使铜部件足够坚固，则会导致整体预成型热交换器性能更差。因此，如果能让壁更薄，则可以牺牲导热率。“ 可用于热交换器3D打印的粉末类型 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。 01不锈钢 Conflux所使用的材料之一是316不锈钢，它是一种相对稳定的合金，适用于需要高耐腐蚀性的高温和低温恶劣环境。这使其非常适合制造石油和天然气行业的工具和机械部件以及与腐蚀性物质接触的发动机部件。 然而，它相对较重，因此不适合航空航天或赛车运动中的轻量化应用。与铝合金相比，它在打印过程中还会经历更高的翘曲和残余应力。 02钛合金 钛是一种强度极高且轻质的材料，非常适合航空航天和赛车应用，特别是钛合金，例如Ti64。自2017年以来，空客已在A350客机的机门上安装了3D打印钛零件，最近还在德国开设了增材制造中心，为直升机和轻型城市飞行器生产零件。它还具有高耐腐蚀性，可以通过氧化物涂层进一步增强。 03铜合金 铜的高导热性使其成为散热器和热交换器等热应用以及母线和感应线圈等电子元件的理想选择。不幸的是，使用大多数3D打印机中使用的激光波长类型进行打印可能很困难。材料制造商已经认识到这一点，现在正在添加合金元素来制造高比例的铜合金，例如铜锆和铜铬。这些材料更易于打印并保持高导热性，除此之外，目前具有更高吸收率的绿光3D打印机商业化也正在快速发展。 04铝合金 AlSi10Mg等铝合金是3D打印行业最常用的材料之一。这主要是因为与其他合金相比，铝凝固后产生残余应力开裂的可能性较低，这是它几十年来一直用于铸造的原因。 铝是钛的更便宜的替代品，因此经常用于航空航天、汽车和赛车运动。空客和波音等公司继续为其飞机、直升机和卫星制造3D打印铝部件，后者通常具有 500多个增材制造部件。铝还可用于打印一级方程式热交换器和汽车活塞，如保时捷911 GT2 RS车型的活塞。最近，在改善比AlSi10Mg具有更高强度和耐腐蚀性的铝合金的可打印性方面取得了很多进展。 05镍基合金 Inconel和Monel K500等镍合金在极端温度下仍能保持强度，并且耐高腐蚀性液体，使其非常适合火箭应用、燃气涡轮发动机零件和其他航空航天涡轮机械。然而，可打印性可能是一个问题，因为镍合金在打印过程中往往会产生残余应力和开裂。这些构建失败的风险使得这种材料的打印成本昂贵，因此通常仅用于非常特定的应用。 当今的增材制造技术可以打印比以往更复杂的几何形状。然而，只有为正确的应用选择最合适的粉末，这些零件才能真正实现高性能。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请联系授权。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.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 2.综述：热交换器与3D打印、拓扑优化、晶格结构以及航天应用 3.电化学3D打印纯铜CPU热交换器，为AI芯片散热带来新机会 4.AMCM为自家3D打印机批量配备3D打印的热交换器

宁波众远新材料科技有限公司是依托于气雾化制粉技术，致力于金属材料创新的国家级高新技术企业，公司与中国科学院、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学和上海大学等多家科研院所有着紧密的合作关系。 公司主要产品为各类金属粉末，包括高温合金、铝合金、钛合金、模具钢和不锈钢等，在9月12-14日的TCT增材制造亚洲展期间，众远新材料将携几款出色的3D打印材料与广大用户见面，包括自主设计开发的新型铝合金材料ZY6061及高温合金材料GH4099、鞋模材料XM-7。其展位位于 4.1馆N05展位，众远新材料期待与各位增材制造领域专家进行深入探讨与交流。 铝合金ZY6061是在传统6061的基础上重新设计了成分，使该材料能够应用于增材制造。其具有良好的焊接性和导热性，并且能用于阳极氧化着色，提高打印部件的耐腐蚀性。 XM-7是一种模具钢材料，该材料在3D打印鞋模及手板等产品的应用潜力十分突出。由于其硬度与强度高于316L不锈钢，大大提升了模具的使用寿命。XM-7模具钢可以支持模具企业利用电解方法进行表面处理，去除悬垂位置的表面毛刺，便于鞋模企业进行咬花处理，修补支撑边缘的花纹。同时该材料还支持使用电镀方式进行后处理，提升模具耐用性。 GH4099是一种Ni-Cr强化的镍基高温合金，其正常工作环境为900℃，特殊情况下可在1000℃高温环境下短期使用。GH4099具有较高的热强性，组织稳定，冷热加工成形和焊接工艺性能优异，适用于如航空发动机燃烧室和加力燃烧室等高温增材制造结构件的制造。 众远新材料分别将于以下时间举行新材料的推介会： GH4099产品推介会将于9月12日14：00时举行； XM-7产品推介会将于9月12日15：30举行； ZY6061产品推介会将于9月13日14：00时举行。 届时可与该公司工作人员沟通交流。众远新材料依托经过验证的质量管理能力，强大的材料创新能力，有望成为值得信赖的材料开发合作伙伴。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.大幅面、高温、高速、增减材一体！工业级FFF挤出3D打印设备重磅新品 2.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 3.升华三维将携大尺寸金属/陶瓷材料挤出装备亮相TCT 3D打印展 4.一类重要且有前途的3D打印金属材料——氧化物弥散强化合金

氧化物弥散强化 (ODS)合金的特征在于纳米级氧化物颗粒均匀分散在金属基体中，通过Hall-Petch或Orowan机制阻碍位错运动，从而提高在大温度范围内的机械性能。此类材料应行业应用需求而开发，例如燃气轮机需要材料在高温下具有高强度和抗蠕变性，核反应需要材料具有抵抗高能中子气体冲击的能力。纳米级氧化物颗粒使材料具有了难以置信的性能优势，在核工业、涡轮机械、航空等领域具有重大应用价值，然而为极端环境研发氧化物弥散强化合金具有挑战性且成本高昂。 ODS材料的增材制造：a)用于核聚变 托卡马克型反应堆 b) 涡轮机械应用c)太空飞机d)涡轮风扇发动机。用于通过增材制造的ODS材料的定制粉末原料制造和表征：e) 具有优化流变特性的复合粉末；f）用纳米级氧化物纳米颗粒均匀分散的微米级金属颗粒的示意图g) 气体雾化反应合成制造的粉末颗粒的截面SEM图像 传统的粉末冶金氧化物弥散强化零件制造工艺涉及多个工艺步骤，包括通过机械合金化工艺制造复合粉末、通过不同烧结技术进行固结、后续热处理和最终减材成形。基于粉末的增材制造是一种很有前途的ODS材料生产路线，因为它允许直接从定制的粉末材料中进行近净形，从而显著缩短ODS合金的制造路线。然而就如同最初并没有专门的材料用于增材制造，ODS合金还没有针对增材制造的特征过程进行优化，因此无法充分利用这种制造技术的潜力。然而3D打印却还有一项重要应用，那就是开发新材料。NASA在今年4月新推出的GRX-810，就是一款借助热力学建模和3D打印开发的氧化物弥散强化合金，它可以承受超过1000℃的温度，更具延展性，比现有最先进的合金寿命长1000倍以上。 传统制造路线与ODS合金增材制造路线的比较。传统的制造路线包括机械合金化的复合粉末制造工艺，然后是罐装和随后的热等静压和粉末冶金固结工艺。固结后，需要对零件进行热处理和减材成型。增材制造路线使用复合粉末原料，包括成形和后续热处理 ODS合金的机械性能 ODS合金的机械性能受固溶硬化机制控制，固溶硬化主要由基体合金的化学成分决定，以及由氧化物纳米粒子在基体合金中的分散引起的弥散硬化，特别是在晶界附近。ODS合金中的弥散硬化归因于Orowan机制，该机制描述了通过形成前进位错线的位错环来绕过不可切割纳米颗粒的机制。因此，弥散体硬化的有效性主要取决于周围金属基质内嵌入纳米颗粒的数量密度、尺寸分布和相干性。通过降低位错攀爬过程旁路机制的驱动力，需要优先相干纳米粒子，分散的纳米颗粒的强度贡献则可以通过方程式估计。 氧化物弥散强化合金中Orowan机制的示意图 位于晶界上的分散氧化物纳米颗粒能够钉扎晶界，并能有效抑制位错蠕变和扩散蠕变。它被认为是高温环境下低应变率下多晶高温合金的主要变形机制，因此对于长时间在高温下使用的材料退化起决定性作用。分散的氧化物纳米粒子对上述机制的抑制对于细晶粒微结构变得更加重要，因为金属增材制造的重要特征就是产生细晶粒。长时间在高温环境中稳定的晶界结构能有效抑制再结晶过程，这可能要归功于氧化物纳米颗粒簇的极低界面能以及氧化物在金属基质中的低溶解度及其高熔点。因此，与未增强的合金相比，ODS合金的特点是在室温和高温条件下都具有更高的强度，并表现出优异的抗蠕变性。 a) 双离子辐照RAF钢的TEM图像，显示由辐照时产生的氦气形成的空腔（用红色箭头表示）b) 在 750 °C 下退火100小时后，根据APT测量重建He植入的 14YWT ODS钢纳米级氧化物颗粒在金属基体中的均匀分散可以提高机械性能，并增强合金对高能中子辐射的抵抗力。嵌入的纳米级氧化物与周围金属基体的界面充当辐射诱导晶格缺陷的有效陷阱，能有效抑制宏观降解效应。 ODS合金的基质材料 通过分散纳米级氧化物颗粒进行分散强化的概念可以应用于所有晶体结构材料。因此，这一概念可用于增强各种金属材料的机械和辐照性能，例如铁素体和奥氏体钢、镍基合金、基于镁的轻金属等结构材料、铝和钛以及基于钨和钼的难熔合金。然而，特殊合金的机械性能，如耐磨钴合金、基于铜的高导电材料，甚至先进的高熵材料等也受益于分散在其基体中的纳米颗粒。 钢基ODS合金 钢材是最常用的结构材料，其具有从高强度到耐腐蚀和耐高温等级的众多性能，广泛应用于工程领域。如今许多商用ODS合金是基于低活化铁素体/马氏体的钢材料。这些钢的特点是具有不含易活化的合金元素，除此之外，奥氏体钢种在结构应用中也越来越受到关注。 镍基ODS合金 镍基高温合金广泛用于航空航天领域，由于其卓越的高温强度和蠕变特性，它们也是内燃机中的重要材料。纳米级氧化物颗粒对镍基高温合金的额外强化旨在提高机械性能，例如高温条件下的强度和抗蠕变性。出于这个原因，市售的镍基合金，例如In625和Hastelloy X被认为是氧化物弥散强化镍基合金的基体合金。此外，γ'-强化镍基合金（如In718) 以及含有γ' 形成剂的钛和铝因其卓越的高温性能而被使用。 金属间ODS合金 金属间合金在高温环境下比传统的镍基合金具有更高的比强度和出色的抗氧化性，因此引起了航空航天应用的极大兴趣。特别是，基于钛 (γ-TiAl) 和铁 (FeAl) 的铝化物以及基于钼 (Mo-Si) 和钒 (V-Si) 的硅化物被认为是替代现代内燃机镍基高温合金的重要材料。与镍基合金相比，纳米级氧化物颗粒在金属间化合物基质中的分散旨在进一步提高高温环境中的机械性能。各种纳米级氧化物粒子的分散，导致更高的硬度、室温和高温强度。此外，纳米级弥散体的加入促进了晶粒结构的显著细化，这种结构在高温下是稳定的。铁和钛铝化物中的大量铝会促进结构复杂的氧化物化合物，金属间合金仍然是当前研究的主要部分。然而，迄今为止，还没有基于金属间合金的商用氧化物弥散强化合金。 ODS合金的增材制造 在增材制造中，金属部件采用逐层工艺制造，通常使用金属粉末或线材原料。今天，可以使用许多不同的3D打印工艺来制造金属和复合材料。然而，微米级金属颗粒和纳米级氧化物颗粒的简单混合通常导致氧化物颗粒的不均匀分布，并导致在ODS合金内的不均匀分散。因此，制造具有均匀分布的金属和陶瓷成分的合适复合粉末对于通过3D打印工艺成功制造ODS合金至关重要。 因此，很多学者专门研究了制造粉末复合材料的技术，从而允许通过增材制造工艺可靠的制造ODS合金，这些复合粉末制造技术包括固体基、液体基和气体基工艺。  ODS合金的增材制造工艺 对于典型的基于激光、电子束或电弧的熔化增材制造，复合粉末颗粒与高能辐射的相互作用、纳米颗粒在熔池中的行为以及纳米颗粒与凝固前沿的相互作用，决定了金属基体合金中纳米粒子的最终分布和尺寸。 基于粉末床的工艺可能是目前提出的基于熔融的增材制造工艺中最适合制造ODS合金的工艺技术，与基于送粉的DED工艺相比，它通过利用更小的光束直径，从而最大限度地减少熔化阶段分散的纳米颗粒的粗化和浮选。但是，尽管使用常见的PBF工艺，但发现凝固后的纳米粒子尺寸较宽。在这种情况下，显然需要更多的模拟研究来理清对高动态熔池中纳米粒子行为的影响因素，目前尚缺乏研究。   含氧气氛中AM过程氧化物纳米粒子的形成机制，包括熔池表面氧分子（双红球）的解离和氧原子（单红球）在熔池中的溶解，与溶解的钇原子反应（绿色球体）在熔池中形成氧化钇（绿色和红色球体相互附着）。氧化钇分散在凝固的金属基质中 AM凝固过程中纳米粒子与枝晶相互作用的说明性描述，枝晶结构内吞没的纳米粒子和枝晶臂之间截留的纳米粒子（绿色球体），右：纳米粒子团聚体（蓝色球体）被推到枝晶尖端的前面；左树突内部有纳米颗粒（红色球体）被吞没的树突横截面 为了指导模拟方法，需要更深入的微观结构表征，以便明确识别纳米粒子化学成分和纳米粒子在分散的金属基质中的分配。原子探针层析成像 (APT) 是一种合适的工具，但似乎仅对于足够小 (>100nm) 且以高数密度存在的特征才可靠。因此，使用高分辨率透射电子显微镜进行的补充检查是有益的，可以表征不同长度尺度上的纳米粒子分布，还可以提供有关基质和嵌入纳米粒子相干性的信息。直接观察纳米颗粒的运动和团聚趋势，将直接影响ODS合金的机械性能。为了证明增材制造的ODS合金的潜力，需要在广泛的温度范围内进行深入的机械表征，包括静态和动态表征（如蠕变检查），这将允许将增材制造的ODS材料与传统制造的对应材料进行基准测试。 研究发现，与传统生产的ODS合金相比，增材制造的ODS合金的机械性能较差，但比非增强材料有更好的性能，尤其是在高温环境中。因此，氧化物弥散强化材料将是一类非常有前途增材制造材料，尤其对于极端使用环境下。 推荐文献：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101049 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.沈航：面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展 2.突破：NASA开发出一种新型超高性能3D打印合金，耐温1093℃ 3.粘结剂喷射+CNC+智能分层，3DEO已发货超130万个3D打印零件 4.电弧等能量沉积3D打印技术正受到学术界和应用界的广泛重视

众所周知，西门子已将采用LPBF工艺3D打印的涡轮叶片用于燃气轮机，这种比传统工艺更高效、更具成本效益的零件制造方式除了具有环境和成本优势外，还可以让制造商快速生产出更复杂、更节能的叶片几何形状。 然而，3D打印特殊的熔凝过程所产生的微观结构则限制了零件在高应力环境下的使用，高温蠕变性能是高温应用下的重要性能，对零件的寿命产生极大的影响。在冶金学中，蠕变是指金属在持续的机械应力和高温下发生永久变形的现象。研究人员研究了涡轮叶片3D打印的工艺和组织结构，发现3D打印会产生大小为数十至数百微米的细晶粒——一种特别容易发生蠕变的微观结构。 西门子采用激光3D打印涡轮叶片 麻省理工学院航空航天专业波音职业发展教授Zachary Cordero表示，“在实践中，这意味着燃气轮机的寿命会更短或导致燃油效率更低，这些都是代价高昂且不受欢迎的结果。” 3D打印技术参考注意到，麻省理工学院的研究人员于近期开发了一种新的热处理方法可以改变3D打印金属的微观结构，使材料在极端热环境中强度更高、更具抗蠕变性。该技术可以有望使3D打印的高性能叶片真正实现工业应用。 01新的热处理方法获得所需求的材料微观结构 新的热处理方法实际上是一种定向再结晶的过程，该工艺已成熟用于锻造材料。将3D打印的零件以精确控制的速度通过热区，材料的许多微观细晶粒将生长为更大、强度更高、更均匀的柱状晶粒。 在具体的操作过程中，研究人员将棒状高温合金的3D打印样品放置在一个室温水浴中，水浴放置在感应线圈的正下方。他们以不同的速度缓慢将每根棒从水中拉出并穿过线圈，将棒加热到1200-1245℃之间的温度。研究发现，在特定速度（每小时2.5mm）和特定温度（1235℃）下处理的拉伸棒会产生陡峭的热梯度，从而引发材料微观结构的转变。 定向再结晶实验装置 研究人员表示，“材料开始时带有位错缺陷，当加热时，这些缺陷会消失并重新配置，晶粒能够生长。通过消耗有缺陷的材料和更小的晶粒来不断拉长晶粒，这一过程被称为再结晶。”本质上讲，再结晶是晶粒的选择性长大和晶界竞争迁移的结果。 零件经热处理后，研究人员使用光学和电子显微镜检查了它们的微观结构，发现材料的打印态微观晶粒生长为柱状晶或被明显大于原始晶粒的长晶体状区域所取代，这意味着材料微观结构发生了改变。新的热处理方法可以将晶粒尺寸增加几个数量级，达到大量柱状晶粒，这在理论上将显著改善蠕变性能。 02材料微观结构影响和决定材料性能的重要因素 材料的显微结构是影响和决定材料性能的重要因素。3D打印技术参考通过查询相关文献注意到，定向再结晶动力学实验结果表明柱状晶可以直接从无织构的小等轴晶中长大，不同的热区温度对应着不同的抽拉速率范围和最佳抽拉速率，在最佳速率定向柱状晶将获得最大的长径比。 该团队表示，他们可以控制棒状样品的拉拔速度和温度，以调整材料微观结构的改变，从而创建具有特定晶粒尺寸和方向的区域。当柱状晶的方向与零件所受的最大应力方向对齐时，材料能够最大限度的抵抗蠕变。这种控制水平可以让制造商最终获得在特定位置具有特定微结构的涡轮叶片，这些微结构能够适应特定的工作条件。 西门子使用3D打印制造涡轮叶片热处理将使材料具有更高的热端寿命 研究人员计划在更接近涡轮叶片的3D打印零件上进行测试，同时也在探索加快拉伸速度的方法，以及测试热处理结构的抗蠕变性。研究人员设想，在不久的将来，燃气轮机制造商将在大型增材制造厂打印叶片，然后使用这种新的热处理方法对其进行后处理，3D打印的具有新冷却架构的叶片可以提高涡轮机的热效率，同时燃烧更少的燃料，最终排放更少的二氧化碳。 研究人员表示，这种热处理工艺为3D打印的燃气轮机叶片获得工业应用扫清了道路。 推荐文献：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103198 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.西门子能源：90台金属3D打印机、100种认证应用案例、400种零件进入批量生产 2.发动机涡轮叶片的传统与3D打印制造过程 3.研究人员使用SLM技术3D打印单晶纯镍及3D打印单晶热处理制度 4.华中科大开发出一种消除裂纹、同时提高强度和延展性的3D打印镍基高温合金热处理方案