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迎新機遇，高溫合金成關(guān)鍵基礎(chǔ)材料

近日，工信部等四部門印發(fā)原材料工業(yè)“三品”實施方案，目標到2025年，原材料品種更加豐富、品質(zhì)更加穩(wěn)定、品牌更具影響力。高溫合金、高性能特種合金、半導體材料、高性能纖維及復合材料等產(chǎn)品和服務(wù)對重點領(lǐng)域支撐能力顯著增強。

高溫合金材料是航天航空發(fā)動機的重要制造原材料，用量占發(fā)動機總重量的40%-60%，主要應(yīng)用于發(fā)動機的燃燒室、導向器、渦輪葉片、渦輪盤、尾噴口及機匣等部件。其次，高溫合金具備耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，也被廣泛應(yīng)用于燃氣輪機、石化、工業(yè)和汽車領(lǐng)域等場景。近年我國高溫合金行業(yè)在下游需求的帶動下高速發(fā)展，市場面臨著巨大的需求增長空間和進口替代空間。

▲資料圖（來源網(wǎng)絡(luò)）

傳統(tǒng)高溫合金制造存在的問題

高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，又稱“超級合金”。其具有優(yōu)異的高溫強度，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。它們最初是為渦輪噴氣發(fā)動機中的燃氣輪機組件開發(fā)，現(xiàn)在已廣泛用于航空航天和能源領(lǐng)域。

▲高溫合金的制備工藝

傳統(tǒng)上，制造是高溫合金應(yīng)用的“致命弱點”。其制造工藝窗口很窄，通常在冗長且高昂的繁復工序后，再通過機加工才能得到最終的部件。當今社會人們?nèi)匀辉谑褂每梢宰匪莸焦糯木苋勰ｈT造工藝。精密鑄造涉及多種化學和工藝控制，在鑄造和隨后的零件機加工過程中會產(chǎn)生大量的廢料，以渦輪葉片為例，大約只有10％的高溫合金會變成最終成品。

▲渦輪葉片的鑄造工藝繁瑣

此外，高溫合金的生產(chǎn)工藝比較復雜，全部工藝流程包括溫度、濕度、壓力、電流等幾千個參數(shù)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量以及穩(wěn)定性。以機加工為例，因為高溫合金內(nèi)含有鉻、鋁等較為活潑的元素，在氧化過熱腐蝕環(huán)境中容易出現(xiàn)化學不穩(wěn)定的情況。如果制作工藝達不到，在其加工過程中容易出現(xiàn)切削加工性差、切削變形大、加工硬化傾向、刀具易磨損和表面質(zhì)量、精度容易保證等難點。

3D打印或?qū)⒊蔀楦邷睾辖鹑轮苽涔に?/strong>

3D打印作為一種新的材料成型方式，可使高溫合金的加工過程發(fā)生根本變化，不僅減少了制造步驟更能節(jié)省大量材料。從而賦予了工程人員更高的設(shè)計自由度，與減材制造相比，空心、點陣和泡沫結(jié)構(gòu)因此成為可能。目前主流的高溫合金3D打印成型工藝為激光粉末床熔融技術(shù)，在激光和計算機輔助制造條件下，材料能夠逐點逐層成型，通過合理的工藝參數(shù)組合，直接熔融燒結(jié)，從而得到高致密度樣件。但快速和重復的熱循環(huán)會導致強烈的溫度梯度，從而導致亞穩(wěn)態(tài)的化學、結(jié)構(gòu)和機械狀態(tài)，進而引發(fā)危及性能的冶金缺陷。

而由升華三維推出的金屬·陶瓷間接3D打印技術(shù)——粉末擠出3D打印技術(shù)（PEP），是通過擠出粘合的金屬顆粒料（聚合物粘合劑與金屬粉末材料進行配比），利用其適配的3D打印機逐層成型生坯，再結(jié)合脫脂燒結(jié)的工藝。基于這一低溫段成形，高溫段成性的技術(shù)優(yōu)勢，合理的規(guī)避了快速熱循環(huán)導致的冶金缺陷等問題。從而快速實現(xiàn)高溫合金復雜結(jié)構(gòu)、大尺寸的快速成型后，將熱加工過程轉(zhuǎn)移到燒結(jié)步驟，這使得更容易管理熱應(yīng)力，因燒結(jié)溫度低于其他類型的直接3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，并且熱量可以更均勻地施加，從而確保了產(chǎn)品性能的一致性。

▲間接金屬3D打印

PEP技術(shù)為新一代制造業(yè)拓寬道路

基于粉末擠出打印技術(shù)（PEP），升華三維目前已推出兩款核心3D打印設(shè)備：工業(yè)型獨立雙噴嘴3D打印機UPS-250和大尺寸獨立雙噴嘴3D打印機UPS-556。均采用獨立雙噴嘴設(shè)計，可以同時打印或者各自輪流打印金屬和陶瓷材料，能實現(xiàn)不同種類材料的復合產(chǎn)品開發(fā)及復雜結(jié)構(gòu)的成形。具有操作簡單、工業(yè)型、高精度、高質(zhì)量、高性價比等優(yōu)點。已廣泛應(yīng)用于科研教育、工業(yè)制造、航天航空、軍事國防、生物醫(yī)療、汽車、模具制造、新能源等領(lǐng)域。

▲升華三維3D打印設(shè)備

目前由升華三維研發(fā)的鐵基高溫合金打印材料，已應(yīng)用在航空航天、石油化工、冶金能源、電爐電器等領(lǐng)域。

▲升華三維3D打印高溫合金樣品

另外，在金屬3D打印領(lǐng)域，PEP技術(shù)已成功應(yīng)用用于不銹鋼，銅及銅合金、鈦及鈦合金、高溫合金、硬質(zhì)合金難熔金屬等材料的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品制造。高溫合金增材制造作為目前的研究熱點與前沿方向，主要圍繞鈦合金、鎳基高溫合金、鈷鉻高溫合金等材料開展大量技術(shù)與應(yīng)用研究。該應(yīng)用方向主要開展的關(guān)鍵技術(shù)研究包括：開發(fā)模型、性能預(yù)測、高溫合金增材制造標準化等。未來，高溫合金增材制造將成熟用于航空發(fā)動機、軍用發(fā)動機、燃氣輪機等裝備，主要在燃氣式、渦輪葉片、渦輪盤等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器裝備的生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。

▲升華三維樣品展示

升華三維作為國內(nèi)最早從事金屬·陶瓷間接3D打印技術(shù)研究的團隊之一，還將研究與開拓更寬范圍的高硬度高熔點的材料開發(fā)，制備出更多具有薄壁、曲面、彎曲管道、孔和槽等，特征在傳統(tǒng)制造難以實現(xiàn)的金屬先進材料的打印制品，提升零部件的高附加值，滿足各行業(yè)趨向更優(yōu)性價比、更高效率、更具可持續(xù)性的制造需求，為新一代制造業(yè)鋪展更廣闊的道路，為國家關(guān)鍵基礎(chǔ)材料發(fā)展貢獻應(yīng)有的力量。