（二）增材制造挑战(无泄漏、耐腐蚀、疲劳特性...) l 航空航天应用中热交换器的3D打印

L-PBF选区激光熔融金属3D打印是一个复杂的过程，特别是，制造高质量、无缺陷的薄壁或通常厚度小于 200-300 μm 的薄特征非常充满挑战。此外，冲压等传统制造方法已证明能够制造典型厚度范围为46至200 μm的板翅结构。

然而，当前增材制造尚未达到大规模生产开发高性能换热器所需的这些关键属性所需的技术成熟度和生产质量。热应力会导致薄部件出现裂纹和完全破损。此外，在以复杂几何形状为特征的薄截面管道的情况下，管道的可行性可能会因附着于内壁的粉末的夹杂物而受到损害。这转化为内表面粗糙度的增加和热交换性能的降低。此外，在设计通过增材工艺制造的组件时，还必须考虑增材工艺自身的局限性。

结合《Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review》这篇论文，3D科学谷将分享航空航天应用中热交换器3D打印的当前技术挑战。

▲3D打印换热器的优势

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换热器与散热器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用，3D打印用于换热器和散热器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。 3D科学谷

换热器的薄壁特征制造

当前L-PBF选区激光熔融金属3D打印尚不适合保证薄壁生产的可重复性。特别是，精度误差随着制造部件的厚度尺寸的减小而增大，已发现水平面和垂直面的截面之间存在显着的尺寸变化。此外，已经观察到，随着3D打印壁厚的增加，壁的变形减少。

▲图. L-PBF工艺参数对薄壁生成的影响；a) 工作中研究的几何形状的示意图；b) AM增材制造工艺不同扫描策略的示意图；c) 通过μSCT计算增材制造薄壁不同材料的孔隙率。

在一个研究案例中，根据所选参数，观察到主要在采用单一激光扫描方法时出现明显的熔合缺乏。研究的三种材料（即 Ti6Al4V、Inconel 718 和 AlSi10Mg）的壁厚均一致，约为 100 μm。此外，AlSi10Mg 和 Ti6Al4V 成功生产了 60° 的最大倾斜角，而 Inconel 718 只能实现 45° 的倾斜角。研究评估了每种扫描策略与热和收缩问题、倾斜角度和壁尺寸控制因素之间的相关性。使用CT扫描技术分析孔隙率，并开发与激光功率和扫描速度相关的薄壁制造工艺图。最后，对表面质量进行了分析，发现倾角与材料之间存在直接关系。

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研究显示了寻找最佳工艺参数以同时提高特征的尺寸精度和总体质量的挑战。因此，一般来说，通过L-PBF选区激光熔融金属3D打印工艺构建薄特征特别困难，并且仍然是科学界的一个挑战。

除粉

增材制造换热器的另一个重要挑战是复杂内部通道的清洁。在进一步的后处理操作和完成制造过程之前，需要去除通道中截留或烧结的粉末。大多数优化的换热器的通道没有开口或出口，因此粉末去除成为一个挑战。

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第一种方法可以设计通道连接点上的一系列孔，以便于在工艺结束时去除粉末。使用超声波技术清洁粉末，再通过激光束焊接封闭孔。

▲图 . 除粉方法。a）第一种方法：重新设计组件；b）第二种方法：使用后处理策略

需要注意的是粉末状的金属材料，其与水或空气接触容易发生反应，例如铝及其合金，铝与水反应产生氢气从而引起爆炸。科学研究发现，该反应的结果可能是气态氢的大量积累，即使是小浓度的材料。

特别是，对于通过增材制造生产的换热器，研究开发的注意力集中在表面粗糙度、微通道和薄壁、表面几何形状、层流或湍流行为、腐蚀以及最终的热效率。用于飞机发动机的换热器在 200 °C 左右的温度下运行，并且不会承受非常高的负载。因此，它们不需要高机械性能，但需要适合散热的表面和几何性能。随着增材制造工艺的技术进步，可以提高表面质量并实现小厚度的精度，不过目前距离完全掌握这些特性还有一定距离。

无泄漏

无泄漏特性对于在紧凑的高性能换热器中增加不同温度下两种流体之间的热交换至关重要 。增材制造减少了泄漏风险，因为它消除了组装各种薄型部件的制造步骤。然而，它也具有由于形成缺陷（例如孔隙率和层结合不充分）而可能造成损失的缺点。诸如孔隙和空隙之类的缺陷使得流体可以从这些薄弱的结构点中逸出，与第二液体混合。

特别是，考虑到薄特征的制造，一个小缺陷可能会损坏整个组件。尽管航空航天领域对薄型新型紧凑型换热器的兴趣日益浓厚，但泄漏问题的研究尚未引起科学界的关注。

3D科学谷了解到市场上开发了新系统，旨在通过连续过程消除3D打印材料内的内部孔隙，即所谓的真空浸渍系统。最初，将组件浸入树脂浴中，同时放置在高压釜内。随后，产生真空以排出部件中的空气，从而促进树脂进入空隙。

表面粗糙度

表面粗糙度被认为是金属增材制造生产的不同类型换热器配置中最重要的特性。粗糙度起着双重作用，因为它影响所产生的特征（管道、壁）的实际尺寸和流体的行为。通常，高粗糙度意味着制造尺寸与预期设计存在显着偏差，特别是当尺寸接近增材制造机器的制造极限时，与传统制造的翅片和通道相比，通道的高内部粗糙度会增加压降和湍流行为。

另一方面，传统制造和增材制造之间的传热性能在大多数情况下是相当的。低粗糙度可以改善热交换性能，并且还解决了不同材料（钢、铜和铝）的影响。根据研究，表面和材料都会影响传热和压降。许多研究的目标是优化增材制造技术的参数，以定制表面粗糙度的增材制造过程。

疲劳性能

增材制造材料的疲劳性能一直是广泛研究主题，微观结构、残余应力和表面粗糙度等多种因素都会影响任何材料的疲劳寿命。特别是，研究集中在增材制造中常用的特定金属和合金，例如钛合金、不锈钢、铝合金和镍基高温合金。

由多个复杂且薄的特征组成的换热器的疲劳行为受到其他几个因素的影响。高温下的循环载荷和升高的工作压力的结合可能会引起结构问题。3D科学谷了解到近年来，热交换器疲劳的评估主要依赖于数值模拟。

此外，广泛的研究表明，表面粗糙度升高会对增材制造的薄特征的疲劳性能产生不利影响。然而，这些限制可以通过各种后处理处理来缓解，包括热等静压（HIP）、机械加工和热处理。然而，对增材制造工艺参数、微观结构、缺陷和后加工处理的影响的全面了解仍然不完整。正在进行的研究重点是进一步表征和增强金属增材制造薄特征的抗疲劳性和可靠性。

耐腐蚀性能

腐蚀是影响换热器的一个主要问题，腐蚀可能由多种因素引起，包括环境传导、使用的流体以及磨损和侵蚀。在换热器的使用寿命期间，腐蚀故障非常常见，并且维护和维修成本可能相当长且昂贵，特别是当涉及航空航天领域使用的空油紧凑型换热器，这些部件特别容易受到恶劣的环境条件的影响，特别是在海上和远洋航线上，高浓度的盐雾会加速金属的降解速度。因此，对腐蚀现象的研究以及对保护暴露表面的传统和创新方法的探索正在进行中。特别是，后热处理、表面精加工和涂层处理对增材制造材料腐蚀行为的影响现在得到了广泛的评估。

热处理

由于L-PBF选区激光熔融金属3D打印过程中的固有现象，所生产的部件需要进行后热处理以改善材料的性能。一般来说，通过增材制造生产的预制材料（热处理前）的显微组织和机械性能不如通过传统铸造或锻造制造技术生产的材料。AM增材制造工艺的特定热循环的特点是由激光引起的突然加热，然后是快速冷却和第二次熔化，同时涉及下一层以及下面和先前固化的层的重熔化。这些热循环在 L-PBF 工艺的每一层的形成过程中都会重复，并导致较大的热梯度，从而在组件上形成残余应力。如果达到的应力水平很高，则可能会发生零件几何形状的变形，从而导致产品损坏和故障。

使用后热处理来松弛残余应力仍然是科学和工业领域最常用的解决方案，增材制造后热处理会大幅降低位错密度，从而显着降低残余应力。

L-PBF选区激光熔融金属3D打印零件的热处理也广泛用于提高其他材料性能，例如机械性能以及耐腐蚀和耐磨性。对增材制造的材料进行后热处理可提供与传统材料相当甚至优于传统材料的性能。均质化和固溶处理使微观结构均匀，并使增材工艺典型的细长树枝晶晶转变为等轴晶粒。并且还允许偏析合金元素的扩散。通过时效处理，会形成沉淀物，这有助于提高材料的机械性能。此外，热处理过程中会发生氧化现象，在多种材料上形成保护性氧化层。这有助于提高耐腐蚀和耐磨性方面的性能。

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