耐热物体的 3D 打印和涂层,例如涡轮叶盘或叶片

3D打印 材料 金属印刷 应用
2021-04-27 17:49:25

是否可以 3D 打印半径为 2 - 4 英寸(50 - 100 毫米)、能够承受约 800 - 1000°C 温度和 100 - 120 x 10 3 rpm 转速的轴流式涡轮机

那有多贵?用整块合金磨制这样的涡轮机是否更便宜?

应该使用哪些技术和材料?

Inconel合金适合3D打印吗?

是否有适合此任务的钛合金?我读过钛很少用于快速旋转的部件,因为如果发生机械故障并且旋转刀片接触外壳,它能够点燃。钛合金还有这个缺点吗?

是否可以制作钛盘和因科镍合金刀片,并将它们焊接(考虑到热膨胀)?

如何对刀片或叶盘进行陶瓷涂层?

谢谢!

4个回答

你问了一些非常有趣的问题!首先,在研究诸如此类的主题时,使用“增材制造”作为搜索词比使用“3D 打印”要好得多。在专业的工业环境中,“3D 打印”并不是一个真正用来描述您所谈论的制造的术语。

选择性激光熔化是最适合金属航空零件的增材制造工艺。Inconel 合金可以与钛(几乎只有 Ti6Al4V)一起加工(例如 IN718 是最简单的合金之一)。至于制造涡轮叶片和类似零件,您可能会发现这很有趣:增材制造 - 3D 打印燃气涡轮叶片的突破

钛通常不用于燃气轮机的高温部分,但将用于更大、更冷的部件,例如风扇叶片,它的强度重量比是一个好处(旋转质量更小=更好的燃料效率)。

高温镍高温合金部件的涂层通常采用电子束物理气相沉积(EBPVD)或高速氧燃料(HVOF)等热喷涂;每个过程都有特定的特征,决定了何时/何地使用它。

这只是您问题的表面深度答案,但在这里不可能完全回答!

(我的经验:博士生使用选择性激光熔化航空合金)

这主要取决于经济性和期望的寿命。很明显,您需要一种强度和熔点超过操作规格的材料。确定各种断裂强度(剪切、弯曲等)是一个工程问题,而不是制造问题本身。
接下来,考虑 3D 打印与一些典型装配线工艺的生产时间和成本。对于大量构建,3D 方法几乎总是失败。
设计和操作这样的设备可能非常危险。需要非常严格的公差。 该站点描述了困难,从材料选择开始,到公差,等等。我不认为你想在地下室做这个。

我认为这绝对有可能,钢 3D 打印机很可能能够以您需要的精度进行打印(作为法医科学研究项目的一部分,我曾有过设计和打印手枪枪管的经验),但请注意我所知道的大多数工艺,您都需要进行后期制作并进行一些抛光或表面改进,特别是对于涡轮机应用程序,这些应用程序的温度已经很高并且任何表面缺陷都无助于提高耐用性。

否则,我只会确保您使用的材料符合您的规格。可能更容易找到极其可靠和坚固的材料进行铣削,但理论上 3D 打印是可能的。

从财务角度讲,虽然我没有任何比较特定类型组件的成本的经验,但只要您能找到可以进行单件生产运行的人,铣削可能会更便宜。

个人意见:我会去铣削。我在 3D 打印方面有很多经验,并且我是其优点的铁杆支持者,但鉴于缺乏关于 3D 打印涡轮机如何长期运行的个人知识,以及某些旋转的故障的后果这些速度,我会倾向于走传统的制造路线。

一些公司已经开始考虑这个想法。我想我记得听说普惠公司和波音公司正在 3D 打印一些较小的翼片。

优点是他们可以制造更复杂、更高效的零件,而无需质量控制、昂贵的固定/维护和专有零件和流程的人工操作。

大多数情况下,金属合金部件是使用 SLA 或 SLS(通常)“打印”的,但它或多或少只是粘合在一起。对于这些类型的印刷工艺,可以通过激光烧结或某种形式的环氧树脂进行粘合。在这一点上,该部件对于航空航天用途几乎没有用处,因为您可以用手将其拆开,因为它非常脆弱。

一旦金属粘合成所需的形状,它就会进入熔炉以固化烧结材料,或者用另一种金属(例如青铜或镍)代替环氧树脂。同样在此操作过程中,零件经过热处理以获得所需的材料结构。在此过程中材料的变化有助于设定其强度和耐热性。

在 Google 上快速搜索“ Inconel 3D Printing ”,可以找到几家可以 3D 打印“异国情调”金属(例如钛和铬镍铁合金)的公司。如果 3D 打印机可以加工铬镍铁合金,它就有可能打印大多数其他航空航天材料。

在这一点上,3D 打印奇异材料实际上只是将沙子粘合并在烤箱中烘烤。