革命性的突破,NASA 3D打印ODS合金 GRX-810可耐高达1000度的高温
发布时间:2022-04-19   阅览次数:165次

来源:3D科学谷

在透过NASA开发的氧化物弥散强化中熵合金,看3D打印高温合金发展一文中分析了3D打印为中/高熵合金的制备方面提供了一条曲径通幽的解决办法。为高温应用量身定制的3D打印合金,NASA开发了氧化物弥散强化介质中熵合金 (LEW-TOPS-151)。近日,NASA宣布其为高温应用量身定制的另外一种3D打印ODS合金-GRX-810。

ODS_NASA3D打印ODS合金
© NASA

耐高温材料的革命性突破

根据3D科学谷,在3D打印ODS材料开发过程中,模拟工具是必不可少的,集成计算材料工程 (ICME )通过全面的材料表征和工业相关使用条件下的组件密集测试来补充。该策略可以更深入地了解工艺-微观结构-特性关系,并量化改进的功能、特性和生命周期评估。

ODS合金的应用
Valley_ODS© 3D科学谷白皮书

block 更持久的性能

NASA 的创新者最近使用3D打印工艺开发了一种新的金属合金-GRX-810,可显着提高航空和太空探索中使用的零部件的强度和耐用性,从而实现更好、更持久的性能。

Video Cover_ODS_NASA3D打印ODS合金
© NASA

通过GRX-810所3D打印的涡轮发动机燃烧器(燃料-空气混合器)是在 NASA Glenn中心进行 3D 打印的,这是具有挑战性的组件之一,可以从应用新的 GRX-810 合金中受益。

NASA 合金 GRX-810 是一种氧化物弥散强化 (ODS) 合金,可以承受超过 2,000 华氏度(1000多摄氏度)的温度,更具延展性,并且可以比现有的合金长 1,000 倍以上。这些新合金可用于制造用于高温应用的航空部件,例如飞机和火箭发动机内部的部件,因为 ODS 合金可以在达到断裂点之前承受更恶劣的条件。

为了开发 NASA 合金 GRX-810,NASA的研究人员使用计算模型来确定合金的成分。然后,该团队利用 3D打印将纳米级氧化物均匀地分散在整个合金中,从而提高了高温性能和耐用性能。与传统的制造方法相比,这种制造工艺更高效、更具成本效益且更清洁。

block 影响和好处

这些合金对可持续飞行的未来具有重大影响。例如,当用于喷气发动机时,ODS合金的更高温度和更高的耐久性能转化为减少燃料消耗并降低运行和维护成本。

valley_Rocket3D打印发动机推力室
© 3D科学谷白皮书

这种ODS合金还为发动机零件设计师提供了新的灵活性,例如更轻的材料以及巨大的性能改进。设计师现在可以考虑他们以前无法考虑的权衡,而不会牺牲性能。

block 突破性性能:材料开发的革命

NASA 的新合金GRX-810在极端温度下具有增强的机械性能。在 1000摄氏度时,GRX-810 与当前的合金相比表现出显着的性能改进,包括:

+ 抗压裂强度加倍

+ 在压裂前拉伸/弯曲的灵活性是其三倍半

+ 超过 1,000 倍的高温应力耐久性

根据3D科学谷的了解,这一突破对于材料开发来说是革命性的。新型更坚固、更轻的ODS材料在 NASA 旨在改变飞行未来的过程中发挥着关键作用,以前,抗拉强度的增加通常会降低材料在断裂前的拉伸和弯曲能力,这是3D打印ODS新合金实现革命性突破的发力点。

block 将增材制造与材料建模相结合

NASA团队应用热力学建模并利用 3D打印来开发具有这一突破性性能的新型ODS高温合金。通过模拟软件,NASA可以比以前更快地生产出性能更好的新材料,过去需要数年的反复试验过程,现在需要数周或数月就能发现。

使用热力学建模(NASA 2040愿景中讨论的众多计算工具之一),该团队仅在 30 次模拟后就发现了合金成分。与传统的试错过程相比,该建模工具可在更短的时间内以更低的成本产生结果。该建模工具还通过向研究人员展示要加入的金属类型以及每种元素的注入量来避免死胡同。

block ODS合金-3D打印研发的热点

根据3D科学谷的市场观察,欧洲地平线2020发起了topAM 项目支持开发3D打印ODS氧化物弥散强化合金,该合金由金属基体(FeCrAl、Ni 和 NiCu)组成,其中散布着小的氧化物颗粒。这些合金将作为3D打印增材制造的粉末生产,并为加工工业提供竞争优势。

3D打印-增材制造提供了新的材料设计策略和处理方式,这些可能性帮助克服这些材料难以加工的缺点。截至今天,氧化物弥散强化 合金(ODS)允许在极端侵蚀、高温腐蚀和热疲劳负载条件下运行。出于这个原因,欧洲地平线 HORIZON 2020的topAM 项目的研究重点是开发 AM-增材制造定制的 ODS 合金和相应的制造工艺,这些工艺将产生具有关键延长使用寿命的高性能零件,进而提升相关设备的性能与使用寿命。

目前,根据亚琛工业大学(ACAM亚琛增材制造中心研发成员)通过微观结构演化模拟软件进行的有限元法 (FEM) 模拟显示,在项目中考虑的基础合金中加入氧化物后,在改善微观结构方面取得了可喜的成果,项目期待着第一个机械和腐蚀测试结果。

欧洲地平线 HORIZON 2020的topAM 项目的发起的意图是优化用于增材制造的氧化物弥散强化合金的设计,例如在燃气燃烧器头和热交换器的制造中,因为这些材料在高温下表现出良好的耐腐蚀性和机械性能。先进的集成计算材料工程方法将帮助合金和工艺开发,结合热力学、微观结构和工艺模拟,计算方法有助于限度地缩短开发时间、节省原材料使用并延长组件寿命。

ODS合金的开发成为2022年全球3D打印研发的热点,正如ACAM亚琛增材制造中心在formnext 2021深圳展会discover3Dprinting的3D打印发现之旅论坛上关于《增材制造技术“深潜”-前沿发展趋势》中所分享的,推动材料开发需要确保大幅减少增材制造新材料设计、开发和取得资格所需的时间和成本。该领域包括开发新的和新颖的计算方法,如基于物理及模型辅助的材料性能预测工具;开发对计算机预测进行验证所需的通用基准数据,以及针对材料性能表征的新思路,有助于为每一个新的增材制造材料-工艺组合开发设计循环。