機械性能與熱處理：航空航天應用中熱交換器的3D打印
學術界和工業界目前正面臨新一代換熱器的設計和生產的挑戰，借助創成式設計、拓撲優化和CFD建模等先進工具，能夠優化熱交換器的形狀，保證熱交換器更輕、性能更高，并定制組件的機械和腐蝕特性。
增材制造實現薄型復雜特征的能力可以通過生產緊湊的熱交換器來徹底改變航空航天領域，增材制造熱交換器具有高效率和更輕的重量，但尚未成熟。L-PBF選區激光熔融金屬3D打印目前作為一種制勝策略正面臨新一代換熱器設計和生產的挑戰，在科學領域是一個備受爭議的話題，因為許多技術限制仍需要克服。
© 3D科學谷白皮書
結合《Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review》這篇論文，3D科學谷將分享航空航天應用中熱交換器3D打印的當前機械性能與熱處理相關的內容。
3D打印換熱器的主要材料
熱交換器將是下一個產業化領域。而究竟3D打印將在熱交換器的產業化方面達到怎樣的影響力和覆蓋面，這不僅僅取決于3D打印設備，材料的價格，還取決于工藝質量是否能夠達到一致可控，以及標準與認證的完善，而最重要的是如何從設計端獲得以產品功能實現為導向的正向設計突破以及對后處理、產品機械性能的預測與控制。
下一代熱交換器的機遇與挑戰
首先，用于制造具有薄壁特征的防漏件的工藝參數的優化需要高度的可靠性且可重復性。此外，尚未全面了解L-PBF選區激光熔融金屬3D打印工藝參數對制造的熱交換器的表面粗糙度、微觀結構和密度的影響。此外，仍然需要仔細分析選擇合適的 L-PBF用材料，以制造高質量的組件，保證可重復性、再現性和可追溯性。
© Conflux
增材制造仍然是熱交換器生產的新興技術，資格鑒定和認證對于促進3D打印熱交換器的應用至關重要。3D科學谷《3D打印熱交換器的資格與認證》一文分析了在產品質量認證范疇中，有兩個容易混淆的概念-資格（QUALIFICATION）與認證（CERTIFICATION），而實際上兩者是有區別的。資格是生產認證產品的基礎，就增材制造而言，意味著整個增材制造工藝流程（包括系統/平臺，工藝和材料）都需要經過一定程度的鑒定，才能生產出符合標準、設計規格和最終用途性能指標的認證零件。
實現設計與制造的一體化、可擴展化，這方面EOS發布了《重新構想熱交換器》白皮書，白皮書中分享的熱交換器設計和生產優化是在無縫數 字 工 作 流 程 中 進 行 的 ， 由 SIEMENS Digital Industries Software 解 決 方 案 提供支持 。制造過程中的打印控制通過EOS 的Smart Fusion（閉環智能熔融） 技術可以減少對支撐結構的需求 ， 而 EOS Additive Minds 顧問則憑借豐富的經驗幫助客戶定制LPBF工藝參數以滿足應用要求 ， 避免工藝效率低下。本白皮書還強調了工藝參數的重要性 ， 良好的工藝參數可 減少設計變更，甚至完全無需設計變更，因此可以大幅度減少成本。
機械性能
由于L-PBF選區激光熔融金屬3D打印工藝產生獨特的柱狀微觀結構，添加劑成分對機械性能的影響仍然是研究的主題。具體而言，標準的缺乏給準確表征通過增材制造技術制造的材料帶來了挑戰。因此，科學界嘗試使用多種方法來滿足分析和解釋機械性能的需求，通過多項研究分析了構建方向對拉伸力學性能的影響。
表：收集并列出了增材制造材料和傳統鑄造材料之間機械性能的比較評估。
l 耐腐蝕
增材制造材料的腐蝕防護機制具有重要意義，表面粗糙度、微觀結構和后熱處理對于提高材料的腐蝕性能至關重要。對于熱交換器來說，高質量的表面或拋光表面處理有助于降低空氣和海洋環境中的腐蝕速率，但對于高度復雜的幾何形狀和內部特征來說很難實現。
對于熱處理，不同的溫度和時間以及熱處理的類型（固溶、時效等）會導致不同的性能，從而導致不同的腐蝕性能。科研領域對AlSi10Mg鋁合金進行了大量研究，因為它是使用和研究最廣泛的鋁合金，而對于其他鋁合金，目前卻很少有研究發現。
增材制造材料還可采用其他防腐蝕機制，鉻酸鹽轉化涂層（CCC）已被普遍用作表面處理工藝，但由于六價鉻化合物的毒性和致癌作用，它們很快就必須被取代。鋁陽極氧化是一種利用電化學反應在金屬材料表面生成保護性氧化層的過程。等離子體電解氧化（PEO）是近年來最常見和使用的。
后熱處理的影響
鋁合金的后熱處理旨在消除各種制造缺陷和雜質，獲得再結晶并改善材料在生命周期中的機械性能和行為。鋁合金通常先進行固溶和淬火處理，然后進行人工時效處理。固溶處理涉及將材料保持在高溫下，以使合金元素在基體中擴散。隨后通常進行水淬，水淬涉及快速冷卻，以獲得合金元素的過飽和結構，這會顯著影響處理的成功。如果未能控制硬化介質的溫度和浸入速度等因素，可能會導致因孔隙生長而形成內部氣泡，并導致永久變形。
最后，時效處理包括材料的中長期持久性和中低溫，以允許強化相沉淀并提高部件的最終機械性能。最常見的鋁合金后熱處理是 T6 和 T7 熱處理，特別是，與 HT T6 相比，HT T7 涉及時效步驟，其特點是溫度更高、持續時間更短，以實現顯著的晶粒生長增加了材料的抗蠕變性。
圖 12. 按照 ASM 手冊標準鑄造鋁合金的常規熱處理。
雖然對于 AlSi10Mg 和 A20X™ 合金，通過鑄造制造的相應傳統材料的標準熱處理是已知的，但對于 Scalmalloy® 合金來說，標準熱處理不存在。因此，對該合金進行了專門的熱處理研究，建議的熱處理包括在 325 °C 溫度下進行4小時的單一步驟。
L-PBF激光粉末床熔融3D打印制造的鋁合金的機械性能：竣工材料與熱處理之后的材料之間的差異
研究發現在適用于增材工藝生產的AlSi10Mg合金的常規熱處理中，消除應力在工業領域應用最多。處理通常在300℃左右的溫度下進行2小時，保證更好的延展性和抗疲勞性，但機械性能會惡化。
許多研究強調了L-PBF選區激光熔融金屬3D打印鋁合金的標準后熱處理的不適用性，因為它會導致材料的機械性能（例如硬度和拉伸強度）下降。因此，對新的定制化后熱處理的評估正在進行中，以調整鋁合金的微觀結構和最大化機械性能。
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