行业动态

HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用

2019年11月15日

    今年10月,美国休斯研究实验室(HRL)开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂,避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题,并可实现细晶粒微观结构,强度超过600 Mpa,成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金

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    自上月起,HRL已开始探索7A77的工业应用。NASA马歇尔太空飞行中心已经开始将这种材料应用于大规模航空航天零部件的生产。近日HRL又与3D打印设计和工程软件公司nTopology以及航空航天制造服务提供商Morf3D合作,开发了一项能够突出7A77传热和流动性能优势的应用,这也是3D打印技术参考本期介绍的重点。

        ▌采用生成式设计制造高强度材料

    利用7A77铝合金的固有热导率,HRL及其合作伙伴为航空航天用户开发了一项经过专门设计的机油冷却器。在这种设计中,合金的高强度满足了关键的爆破压力要求,同时能以与常规AlSiMg合金相比更薄的壁厚实现更好的换热效果。7A77铝合金的高屈服强度使热交换器设计人员将交换器的壁厚减少了50%,有效地提高了传热性能。

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由nTopology设计、Morf3D打印的7A77铝合金回旋结构热交换器

    nTopology是一家为高级制造提供下一代工程设计的软件公司,它利用计算建模平台定义了一个结构,目的是使其质量最小而表面积最大。借助强大的计算功能,nTopology能够生成比传统管壳结构表面积大146%的内抽芯结构(专业术语),通过将HRL的高强度铝合金与生成设计相结合,nTopology设计的冷却结构能够将传热率提高300%。

    ▌满足材料和应用需求

    nTopology最终的设计结果呈现的是一种拓扑回旋换热器,可最大程度提高零件强度,并使质量最小化,性能优于其他3D打印的铝合金。该案例也揭示了高强铝合金的一大应用特点,即材料强度更高,可减少零件制造的材料用量,因此重量更轻,性能也更高

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最终的拓扑回旋换热器内部结构

      美国航空航天制造服务提供商Morf3D提供了热交换器的制造。其采用EOS SLM系统进行打印,为了展现内部特征,该公司将零件切开进行了分别打印,从中可以看出内部回旋流道的复杂性。

拓展阅读

    近年来,铝合金金属3D打印在生产中的应用迅速增加,但仍有许多应用领域以低强度的AlSiMg系为主,无法满足目前对铝合金增材制造零件高强度的要求。此前,3D打印技术参考曾对国内外商用高强铝合金的现状进行过介绍。

    空客公司针对航空用铝合金零件增材制造需求,开发的世界上第一种增材制造专用高强铝合金粉末材料Scalmalloy,室温拉伸强度520MPa,已经应用于A320飞机机舱结构零件的增材制造。今年,英国铸造公司Aeromet International推出的A20X铝合金粉末经热处理后拉伸强度为511 MPa,屈服强度440 MPa,伸长率为13%,基于该材料开发的航空散热结构件已成功替代传统采用钛合金制作的中温构件,并帮助法国某型号发动机实现瘦身。

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当前高强铝合金的性能对比

    今年2月,国内航天科工旗下长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段,成功研制出了一种高强铝合金粉末材料,其室温拉伸强度535MPa,屈服强度510MPa,延伸率为12%,在过去的几个月正在被国内某高端应用部门验证。8月,苏州倍丰吴鑫华研究团队宣布其3D打印的铝合金材料Al250C达到最高水平,其拉伸强度超过590Mpa,屈服强度580MPa,延伸率11%,制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验,因此获得包括通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。

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3D打印的铝合金卫星支架

    HRL高强铝合金的加入不仅仅丰富了材料种类,更代表了一种强大的应用趋势。从本文的案例中我们其实能够读出另一点意味,即国外针对新材料也在努力的寻找应用,不过他们会针对材料特点和应用要求进行产品的重新设计和制造,实现效能的进一步提升,这一点值得借鉴。


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