迎新机遇，高温合金成关键基础材料
近日，工信部等四部门印发原材料工业“三品”实施方案，目标到2025年，原材料品种更加丰富、品质更加稳定、品牌更具影响力。高温合金、高性能特种合金、半导体材料、高性能纤维及复合材料等产品和服务对重点领域支撑能力显著增强。
高温合金材料是航天航空发动机的重要制造原材料，用量占发动机总重量的40%-60%，主要应用于发动机的燃烧室、导向器、涡轮叶片、涡轮盘、尾喷口及机匣等部件。其次，高温合金具备耐高温、耐腐蚀等优良性能，也被广泛应用于燃气轮机、石化、工业和汽车领域等场景。近年我国高温合金行业在下游需求的带动下高速发展，市场面临着巨大的需求增长空间和进口替代空间。
▲资料图（来源网络）
传统高温合金制造存在的问题
高温合金是指以铁、钴、镍为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，又称“超级合金”。其具有优异的高温强度，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。它们最初是为涡轮喷气发动机中的燃气轮机组件开发，现在已广泛用于航空航天和能源领域。
▲高温合金的制备工艺
传统上，制造是高温合金应用的“致命弱点”。其制造工艺窗口很窄，通常在冗长且高昂的繁复工序后，再通过机加工才能得到最终的部件。当今社会人们仍然在使用可以追溯到古代的精密熔模铸造工艺。精密铸造涉及多种化学和工艺控制，在铸造和随后的零件机加工过程中会产生大量的废料，以涡轮叶片为例，大约只有10％的高温合金会变成最终成品。
▲涡轮叶片的铸造工艺繁琐
此外，高温合金的生产工艺比较复杂，全部工艺流程包括温度、湿度、压力、电流等几千个参数，任何一个环节出现问题，都会影响到产品的质量以及稳定性。以机加工为例，因为高温合金内含有铬、铝等较为活泼的元素，在氧化过热腐蚀环境中容易出现化学不稳定的情况。如果制作工艺达不到，在其加工过程中容易出现切削加工性差、切削变形大、加工硬化倾向、刀具易磨损和表面质量、精度容易保证等难点。
3D打印或将成为高温合金全新制备工艺
3D打印作为一种新的材料成型方式，可使高温合金的加工过程发生根本变化，不仅减少了制造步骤更能节省大量材料。从而赋予了工程人员更高的设计自由度，与减材制造相比，空心、点阵和泡沫结构因此成为可能。目前主流的高温合金3D打印成型工艺为激光粉末床熔融技术，在激光和计算机辅助制造条件下，材料能够逐点逐层成型，通过合理的工艺参数组合，直接熔融烧结，从而得到高致密度样件。但快速和重复的热循环会导致强烈的温度梯度，从而导致亚稳态的化学、结构和机械状态，进而引发危及性能的冶金缺陷。
而由升华三维推出的金属·陶瓷间接3D打印技术——粉末挤出3D打印技术（PEP），是通过挤出粘合的金属颗粒料（聚合物粘合剂与金属粉末材料进行配比），利用其适配的3D打印机逐层成型生坯，再结合脱脂烧结的工艺。基于这一低温段成形，高温段成性的技术优势，合理的规避了快速热循环导致的冶金缺陷等问题。从而快速实现高温合金复杂结构、大尺寸的快速成型后，将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的一致性。
▲间接金属3D打印
PEP技术为新一代制造业拓宽道路
基于粉末挤出打印技术（PEP），升华三维目前已推出两款核心3D打印设备：工业型独立双喷嘴3D打印机UPS-250和大尺寸独立双喷嘴3D打印机UPS-556。均采用独立双喷嘴设计，可以同时打印或者各自轮流打印金属和陶瓷材料，能实现不同种类材料的复合产品开发及复杂结构的成形。具有操作简单、工业型、高精度、高质量、高性价比等优点。已广泛应用于科研教育、工业制造、航天航空、军事国防、生物医疗、汽车、模具制造、新能源等领域。
▲升华三维3D打印设备
目前由升华三维研发的铁基高温合金打印材料，已应用在航空航天、石油化工、冶金能源、电炉电器等领域。
▲升华三维3D打印高温合金样品
另外，在金属3D打印领域，PEP技术已成功应用用于不锈钢，铜及铜合金、钛及钛合金、高温合金、硬质合金难熔金属等材料的技术研发和产品制造。高温合金增材制造作为目前的研究热点与前沿方向，主要围绕钛合金、镍基高温合金、钴铬高温合金等材料开展大量技术与应用研究。该应用方向主要开展的关键技术研究包括：开发模型、性能预测、高温合金增材制造标准化等。未来，高温合金增材制造将成熟用于航空发动机、军用发动机、燃气轮机等装备，主要在燃气式、涡轮叶片、涡轮盘等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器装备的生产成本，缩短生产周期。
▲升华三维样品展示
升华三维作为国内最早从事金属·陶瓷间接3D打印技术研究的团队之一，还将研究与开拓更宽范围的高硬度高熔点的材料开发，制备出更多具有薄壁、曲面、弯曲管道、孔和槽等，特征在传统制造难以实现的金属先进材料的打印制品，提升零部件的高附加值，满足各行业趋向更优性价比、更高效率、更具可持续性的制造需求，为新一代制造业铺展更广阔的道路，为国家关键基础材料发展贡献应有的力量。