摘要：长三角G60激光联盟陈长军导读：在本研究过程中，开发了一种用于金属零件增材制造的新方法。为此，设计了一种制造 Inconel 625 喷气涡轮叶片复杂几何结构的方法。首先，将这种先进的 PETG 与 90% 的 Inconel 625 粉末的混合材料增材制造成

目前，涡轮叶片结构通常采用传统的减法制造方式，即从铸锭开始对传统合金进行机械加工和抛光。尽管新技术已使这一过程实现现代化，但仍需要制造下一代涡轮叶片。当前，选择性激光烧结工艺已被用于生成合金结构，但由于结构完整性限制、孔隙度和表面光洁度等原因，这项技术目前存在局限性。因此，尽管当前传统合金的增材制造方法较为先进，但目前尚无法用于制造在严苛应用中使用的实际航空航天结构。
另一个需求是降低成本，这一点至关重要，因为在航空航天制造商开发下一代技术时，成本是一个重要因素。在过去 20 年的众多研究中发现，增材制造技术非常适合制造下一代航空航天部件。然而，目前的增材制造方法尚无法满足这一需求。使用选择性激光烧结工艺制造航空航天结构也没有太大优势，因为加工零件的成本与传统制造方法相近。
在过去五年中，涌现出了许多新技术和新材料。合金颗粒与聚合物的结合尤其如此。在这里，传统的熔融沉积建模增材制造技术被用于形成初始结构，随后通过高温烧结工艺形成金属部件。这些 3D 打印的坯体部件经过特定的热处理循环进行烧结，将合金粉末和聚合物转化为固态金属结构。这一进展令人振奋，因为它为制造下一代复杂涡轮叶片结构带来了可能。
已经有多种材料通过增材制造技术用于制造航空航天结构，包括尼龙、不锈钢、钛、Inconel、碳纤维增强材料和纳米结构增强材料等传统材料。这些材料为航空航天制造以及形成可作为航空航天结构一部分的实际部件提供了更多机会。此时出现这些材料恰逢其时，因为现在有能力使用先进材料通过增材制造技术制造出奇异的形状和部件。这些部件可以被制造得具有高分辨率和复杂结构，以实现最佳的重量与性能比。在本研究中，开发了一种全新的解决方案，该方案首先将 Inconel 625 合金粉末与传统聚合物进行增材制造，随后对部件进行脱脂，再在高温下进行烧结。整个过程会去除聚合物，但金属颗粒结构会保留并结合在一起，形成合金部件。这种未来先进的制造工艺有能力制造出可用于生产下一代航空航天部件的结构。这融合了先进材料科学、设计工程和增材制造技术。本研究的工作确定，这一工艺不仅经济实惠，而且经过加工后，部件能够达到制造金属叶片结构所需的高分辨率。实际涡轮叶片的制造以及未来涡轮叶片结构的设计已经证明了这一概念的可行性。这是每个航空发动机制造商未来战略的一部分，因为他们需要提高排气温度，以提升喷气发动机和涡轮机的效率和燃油经济性。

首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯 - 1,4 - 环己烷二甲醇酯（PETG）制成直径为 1mm 的颗粒，以此制备金属化丝材的批量配方。PETG 是通过用乙二醇分子对聚对苯二甲酸乙二酯（PET）聚合物链进行改性而形成的。这种成分和结构的改变赋予了材料更高的刚性。该材料的性能如下：

将 PETG 加入环氧树脂中，使用低剪切叶轮以 200 转 / 分钟的速度进行混合。加入重量占比为 90% 的 Inconel 625 粉末（美国加利福尼亚州洛杉矶市美国元素公司），其成分如表 1 所示。

以 200 转 / 分钟的速度混合 10 分钟，以确保 Inconel 625 在聚合物基体中均匀分散。然后将混合物放入 75°C 的烘箱中 2 小时，以使环氧树脂固化。随后将得到的金属化聚合物批次粉碎成直径为 2mm 的颗粒。为了制备增材制造丝材，进行了挤出工艺。这包括在 165°C ± 2°C 的温度下，使用料斗和 500mm 长的丝杠将颗粒挤出成直径为 1.75mm 的连续丝材，同时对丝材进行混合、加热和挤出。随后将丝材进行风冷，再通过一系列滚轮，最后缠绕到线轴上。

使用 Creality CR - 10 FDM 打印机对金属化丝材进行 3D 打印。该设备用于以 100µm 的层分辨率沉积材料。用于 3D 打印测试样品和全尺寸涡轮叶片结构的参数如表 2 所示。

图 1 所示，是转变过程中发生的形态变化。初始脱脂过程是在 Carbolite RHF 高温实验室炉中进行的，将结构以每小时 60°C 的速度逐渐升温至 350°C，耗时 5 小时。然后将结构在 350°C 的脱脂温度下再保持 5 小时。之后，将结构以 5 小时的时间逐渐升温至 1350°C 的烧结温度，再在该温度下保持 5 小时。用 5 小时将结构冷却至室温。经测量，这些结构的密度为，并且在此过程中完全金属化。

涡轮叶片结构经增材制造和热处理后，对其进行表征，随后将其放入 Mazak CV5 - 500 五轴 CNC 铣床中进行加工。首先将结构加工至表面光洁度为 10µm 的初步光滑程度，然后进一步加工至表面光洁度为 0.2µm。这达到了最终涡轮叶片所需的高精度要求。

制备测试样品和全尺寸结构并进行表征，以了解合金的性能。评估了包括层与基体结合性能、机械测试后的断口形貌以及表面质量等技术指标。使用 WYKO 白光干涉仪进行白光轮廓测量，扫描区域为 1.2×1.2mm，以确定所制备的增材制造部件的轮廓。使用日立 S - 4800 扫描电子显微镜（SEM）进行扫描，加速电压为 10 kV，发射电流为 9.8mA。将样品切割并嵌入环氧树脂中，随后使用金刚石悬浮液抛光至表面光洁度为 1 微米。然后用异丙醇清洗样品，再用 0.5% 的硝酸酒精溶液蚀刻 20 秒。

使用配备 100kN 载荷传感器的 Instron 8516 进行机械测试。使用纵向引伸计测量位移。使用熔炉在 200 - 600°C 的温度范围内测试合金的机械性能。根据 ASTM D638 标准，以 0.1 mm/min 的加载速率进行测试，测试样品的几何形状符合标准规定。对每种样品几何形状进行五次重复测试。

在增材制造过程中，涡轮叶片结构由混合聚合物和 Inconel 625 基体的一系列层构建而成。如图 2 所示，是增材制造过程中结构的刀具路径轮廓。由于在高温烧结过程中，混合聚合物 - 合金会转变为合金，因此结构按 125% 的比例放大，以补偿脱脂过程中聚合物的去除以及高温下合金结合导致的收缩。在打印过程中一个关键的考虑因素是，聚合物结构在增材制造时，相邻沉积层之间留有 0.1 毫米的间隙。这使得结构在高温烧结过程中能够结合形成一个实心部件。

图 2A 展示了完成增材制造的结构的 CNC 轮廓，该结构由 460 层组成。图 2B 展示了增材制造涡轮叶片中点的截面视图。为了制造出涡轮叶片所需的空气动力学形状，必须精确控制几何形状。在沉积过程中精心保持 255°C 的温度，从而制造出具有高尺寸分辨率的特征。层的特性也很重要，因为聚合物混合物中含有高浓度的 Inconel 625 金属颗粒，这些颗粒被增材制造到叶片结构中。

在每层之间设置 15 秒的延迟时间，以使每层能够精确冷却。结果发现，与不设置冷却时间相比，这提高了结构的分辨率。在结构沉积完成后，拍摄显微照片以评估和确定所达到的分辨率。如图 3A 所示，尽管聚合物混合物中含有高浓度的金属颗粒，但通过使用表 1 中所示的精确参数，依然制造出了高分辨率的层。如图 3B 所示，即使是薄壁几何形状也能够被制造出来。可以看出，聚合物相互结合并聚结形成了精确的层。涡轮叶片的枞树形结构对于将叶片连接到涡轮盘上非常重要。如图 3C 和图 3D 所示，这一关键部件也被制造到了高分辨率水平。层分辨率以及聚合物与下层的结合，产生了所需的高清晰度。

层沉积之间 15 秒的延迟时间是针对该几何形状优化的，确保了所需的冷却和固化程度。这也保证了能够重复制造出高清晰度的结构。这是能够将这项新技术用作替代当前涡轮叶片制造方法的重要一环。

如图 4 所示，是增材制造结构的不同发展阶段。首先在传统的计算机辅助设计（CAD）软件中创建 3D 设计，然后将其转换为 STL 格式。接着对该结构进行增材制造，形成一个包含聚合物 PETG 和金属颗粒混合物的坯体混合部件。随后对该结构进行脱脂，并在高温下烧结，形成最终的金属结构。此时，结构也会出现明显的收缩，密度增加。

增材制造过程完成后，对结构进行分析以了解其冶金性能。如图 5 所示，是烧结后 Inconel 625 部件的冶金微观结构。结果表明不存在任何残留聚合物，材料最终的晶体结构与原始 Inconel 625 非常相似。经测量，平均晶粒尺寸为 55 微米。

对比图 4 和图 5 所示的最终金相结构，可以清楚地看到生成了一个合金部件。这清楚地表明，该工艺在制造金属涡轮叶片结构方面具有很大优势。
进一步分析以确定传统涡轮叶片结构上所需形成的精确特征的几何精度，这些特征包括孔、曲线、枞树形结构的形成以及内部空心冷却结构。如图 6A 所示，生成的曲线轮廓具有很高的几何精度。此外，如图 6B 所示，一个直径为 100 微米的孔结构也被制造得具有很高的精度。还观察到形成了一些层状条纹图案，这是使用该工艺时众所周知的副作用之一。然而，这些条纹随后会通过机械加工和抛光处理，使结构具有高分辨率和几何精度。

如图 7 所示，对比了增材制造结构最初的制造情况，以及后续通过机械加工和抛光处理提升表面轮廓的过程。图 7A 展示了最初加工至 10 微米的表面光洁度，表面没有任何孔隙或空洞的迹象。如图 7B 所示，进一步加工至 0.2 微米的表面光洁度，同样具有很高的分辨率。将其与图 7C 中烧结后部分完成的叶片结构进行比较，可以清楚地看到形成过程中的显著差异。尽管使用了高分辨率的增材制造工艺参数，但机翼结构在叶片轮廓上有一个较大的转角。这会导致每层之间形成明显的台阶。因此，形成一个更高分辨率的轮廓至关重要，以便后续进行机械加工和抛光处理。

进行了进一步的机械测试，以确定增材制造材料的结构、断口形貌和机械性能。图 8 对比了在高温烧结前后进行机械测试的试样的断裂表面。可以清楚地看到，尽管分辨率很高，但也导致了表面条纹的形成。还可以看到，层与层之间形成了一些空隙。这是有意为之的，因为在高温烧结过程中的收缩会使结构聚结在一起，从而消除这些空隙。

对比图 8A 中烧结前和图 8B 中烧结后的试样的两个断裂表面，可以清楚地看到材料结合在一起形成了合金。尽管如图 8C 所示，结构中仍存在 1µm 的孔隙，但孔隙度已显著降低。因此，这一工艺肯定需要进一步的优化。
烧结后结构的机械应力 - 应变曲线也很有趣。如图 9 所示，是该材料在从室温到 600°C 的一系列温度下的应力 - 应变曲线。该材料在室温下的极限抗拉强度（UTS）为 765MPa，这与锻造 Inconel 625 非常相似。这清楚地表明，Inconel 625 颗粒已成功融合形成该结构。还在一系列不同温度下进行了测试，以确定该材料的极限抗拉强度和屈服强度。

与传统锻造 Inconel 625 相比，增材制造材料在室温下的极限抗拉强度为 765MPa，而锻造 Inconel 625 的极限抗拉强度为 827MPa。增材制造材料的屈服强度为 334MPa，而锻造 Inconel 625 的屈服强度为 440MPa。通过金相分析确定，增材制造材料的密度为传统材料的 98.2%。然而，增材制造的 Inconel 也有一个有趣的提升，其断裂伸长率为 38%，而传统锻造 Inconel 为 30%。

在形成初始涡轮结构之后，设计了一种更复杂的机翼结构。如图 10 所示，是空心涡轮叶片的表面特性和结构。使用这种新的增材制造工艺设计此类结构的主要要求是，当前所有制造方法都无法制造出所需的复杂空心轮廓。

使用白光干涉仪确定增材制造后的层分辨率。下一代涡轮叶片结构比传统涡轮叶片大得多。这是航空航天行业的需求，因为传统方法制造这种先进部件的成本过高。如图 10B 所示，是烧结后结构的横截面轮廓。结构中有一个中心孔，冷却空气通过该孔流经合金结构。该结构具有最佳的强度与重量比几何形状。本研究中的试验表明，使用本研究设计的工艺能够成功制造出这些结构。这是本研究项目的主要成功之处之一，因为它目前不仅可用于制造传统涡轮叶片结构，还能满足未来涡轮叶片制造的需求。

当前的试验证明了增材制造技术在制造涡轮叶片方面的潜力。随着本研究从一个新颖的概念发展成为实际应用，有了一些有趣的发现。开发一种新的增材制造工艺来生产金属部件，旨在评估使用这种新型制造工具制造高温部件的可行性，该工艺能够以比传统方法更低的成本，均匀、准确地制造部件。
最初的项目重点是形成 PETG 混合聚合物和 Inconel 625 的混合物。随后演变成通过如图 1 所示的烧结过程，将混合聚合物转化为金属部件。经过后续的 CNC 加工、金相表征和机械测试，事实证明，通过使用增材制造技术，这种技术确实是制造传统涡轮叶片的有效且合适的方法。
最初的努力集中在制造高温涡轮叶片的复杂几何形状上。如图 2 所示，通过将结构作为一个整体进行制造来实现这一目标。与制造不同部件再进行焊接的传统方法相比，这具有许多显著优势。研究发现，通过控制各层之间的特定间隙，当部件在 1350°C 的高温下烧结时，它们会结合形成一个固态金属结构。进行表征以了解制造高温叶片所需的高分辨率的关键工艺参数。如图 3 所示，尽管转移聚合物中含有 90% 高浓度的 Inconel 625，但依然能够制造出具有高分辨率的几何形状。
烧结后观察到部件收缩了 25%。这就是在增材制造过程之前相应地放大部件尺寸的原因，以补偿收缩以及后续将进行的表面加工。如图 5 所示，观察到 Inconel 625 的金相结构与传统锻造 Inconel 625 的非常相似。在烧结过程中对部件进行 8 小时的热处理期间，关键在于在这段时间内

从在烧结过程中对部件进行 8 小时的热处理期间，关键在于在这段时间内开始，继续翻译到文章最后。

在烧结过程中对部件进行 8 小时的热处理期间，关键在于在这段时间内将温度逐渐升高至 1350°C，这对于形成聚结结构至关重要，从而产生了涡轮叶片所需的适当金相结构。

通过在增材制造过程中使用适当的工艺参数，形成了如图 6 所示的高几何精度，精确的曲线和孔得以高精度制造。后续加工也产生了高分辨率结构，如图 7 所示，增材制造部件可进一步抛光至高精度，表面光洁度达到 0.2 微米。

这项研究最令人兴奋的部分是在机械测试后确定的。比较烧结前和烧结后部件的断裂表面特性，可以看出，如图 8B 所示，金属部件的断裂表面几乎完全融合在一起，只是由于烧结过程存在一些轻微的孔隙度。这将促使开展进一步研究，以增强和优化这一过程，确保能够制造出无孔隙的部件。多孔结构的缺点是可能在部件内部形成疲劳裂纹，最终导致结构不稳定。

部件在高温下的机械测试表明，增材制造的 Inconel 625 部件在断裂前能够承受较高的应力。如图 9 所示，该材料在室温下的极限抗拉强度为 765MPa，在 600°C 时降至 485MPa，但这与传统 Inconel 625 的性能一致。进一步研究制造了下一代涡轮叶片结构，如图 10 所示，这些结构本质上是空心的，目前增材制造是唯一能够制造出具有所需内部复杂几何结构部件的工艺。这表明增材制造工艺非常有能力制造出部件所需的特殊几何形状。这是这项研究的一个迷人之处，因为它不仅能够制造当前的涡轮叶片结构，还能够制造未来 10 至 20 年所需的涡轮叶片结构。

总之，从能够通过增材制造工艺制造下一代先进涡轮叶片的角度来看，本研究表明所研究的技术是一种通过金属转移增材制造制造复杂航空航天部件的可行方法。微观结构和机械性能确实适合构建涡轮叶片所需的金属元素的形成。

研究表明，使用该工艺可以制造出高分辨率的结构和形状，这确实是初步研究中最重要的部分。进一步检查发现，增材制造和烧结所使用的设置均是合适的。现在还将开展进一步研究，以减少从断裂表面观察到的内部孔隙度。

研究发现，烧结过程以及聚合物和合金的混合物至关重要。当它们结合时，产生了制造涡轮叶片所需的适当结构、机械和金相性能。这一点尤为重要，因为涡轮叶片需要高度的几何精度，才能用于未来的航空航天部件。本研究的下一阶段是继续并改进这一工艺，以便能够以高精度在 3D 中制造出更多精细特征、连接件和高度精确的几何结构。由于这项研究，在增材制造金属部件方面已经有了更多的认识，特别是其制造可用于实际条件的 Inconel 625 部件的能力。

文章链接：DOI: 10.1007/s00170-022-09176-2

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟