Hefðbundinn Hastelloy varmaskiptir er með beinum rörum og boruðum göngum. Aukaframleiðsla, með því að nota leysir til að bræða saman málmduft lag fyrir lag, getur ræktað skipti með neti af slétt bognum, lífrænt laguðum rásum sem eru verulega betri en allt sem hægt er að bora, mala eða beygja. Þessi sameining af afkastamikilli nikkel-undirstaða ofurblendi og leysirduftbeðsamruna (LPBF) tækni er að brjóta niður áratuga hönnunarþvingun, sem gerir nýja kynslóð af ofurlítilli, mjög skilvirkum og tæringarónæmis hitastjórnunartækjum kleift.
Takmarkanir hefðbundinnar Hastelloy varmaskiptarframleiðslu
Hastelloy C-22 (einnig þekkt sem Alloy 22) og C-276 eru nikkel-undirstaða ofurblendi sem eru verðlaunuð fyrir einstaka viðnám gegn blönduðum sýrum, klóríðum og háhitaoxun. Hátt króm (≈22 wt%), mólýbden (≈13 wt%), og wolfram (≈3 wt%) innihald veitir styrkingu í föstu lausninni og myndar þrautseigju óvirka oxíðfilmu sem verndar gegn árásargjarnu efnaumhverfi. Hins vegar, þessir sömu eiginleikar gera Hastelloy alræmda erfitt að vinna í hefðbundinni frádráttarframleiðslu. Vinnuherðing, lítil hitaleiðni og mikið slit verkfæra takmarka flókið innri rúmfræði sem hægt er að framleiða með borun, mölun eða beygju.
Hefðbundnir varmaskiptarar-skel-og-rör, plötuloka eða lóðaðar samsetningar-reiða sig á beinar rásir, u-beygjur og boraðar geislamyndaðar göngur. Innri flæðisleiðir eru í grundvallaratriðum takmarkaðar af því sem skurðarverkfæri eða beygjudorn getur náð. Eins og einn vísindamaður benti á, "hönnun varmaskipta, vélrænni rúmfræði uppsetningu varmaskipta, hefur ekki breyst í áratugi." Takmarkanirnar eru ekki hugmyndafræðilegar heldur framleiðsludrifnar: æskileg þrívíddarform sem gætu hagrætt skiptingunni milli hitaflutnings, þrýstingsfalls og skiptastærðar hafa einfaldlega verið óframkvæmanleg í reynd.
Aukaframleiðsla: Laser Powder Bed Fusion af Hastelloy
Aukaframleiðsla (AM) losar hönnuðinn við þessar frádráttarþvinganir. Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-einnig þekkt sem sértæk leysibráðnun-er ríkjandi AM tækni fyrir hágæða málma. Aflmikill leysir bræðir gas-atómað Hastelloy duft með vali í þunnu rúmi, venjulega með lagþykkt 30–60 µm. Byggingarpallur lækkar smám saman og ferlið endurtekur sig þar til allur þrívíddarhlutinn er búinn.
Fyrir Hastelloy C-22 (álfelgur 22) hafa LPBF ferlibreytur verið fínstilltar til að ná hlutfallslegum þéttleika sem fer yfir 99,6%, með eftirvinnslumeðferðum eins og heita isostatic pressun (HIP) og lausnarhitameðferð sem útilokar leifar af gropleika og ná fram vélrænum eiginleikum sem eru sambærilegir við unnu álfelgur. Samanburðarrannsókn á samruna-undirstaða AM Hastelloy C-22 og C-276 greindi frá togstyrk upp á allt að 772 ± 5,1 MPa fyrir C-22, með hámarks hörku 320 HV, sem sýnir fram á að Hastelloy framleiddur með auknum hætti getur uppfyllt eða farið fram úr hefðbundnum sértækum íhlutum.
Lykilmöguleikinn sem LPBF opnar er innri rúmfræði flókið. Laserinn byggir íhlutinn úr CAD gögnum án þess að þurfa að hafa aðgang að verkfærum. Innri rásir geta breytt þversniði, grein, feril í þrívídd og tekið upp gljúpa grindarbyggingu-allt sem einn, einhæfan hluta án soðna sauma, þétta samskeyti eða lóðaða tengi.
Flókin innri rennslisrásir: Frá beinum rörum til þrefaldra reglubundinna lágmarksyfirborða
Mest umbreytandi hönnunarrými sem opnað er með aukinni framleiðslu Hastelloy varmaskiptaflæðisganga er notkun þreföldu reglubundinna lágmarksyfirborðs (TPMS) grindarvirkja, sérstaklega gyroid svæðisfræði. Ólíkt hefðbundnum boruðum rásum eru TPMS mannvirki samfelldir, stærðfræðilega skilgreindir fletir sem skipta rými í tvö gagngeng en ekki skerandi vökvasvæði. Sýnt hefur verið fram á að gyroid mannvirki bjóða upp á 54% skilvirkni fram yfir hefðbundna plötuvarmaskipta, með verulega hærri rúmmáls hitaflutningsstuðlum.
Rannsóknir hafa kerfisbundið rannsakað áhrif gyroid-, demant- og SplitP grindarbygginga á afköst varmaskipta. Með því að stilla frumustærð og veggþykkt er hægt að bera kennsl á ákjósanlegar stillingar sem hámarka skilvirkni hitaflutnings á sama tíma og viðheldur burðarvirki og lágmarkar þrýstingsfall. Þessi mannvirki eru sérstaklega hönnuð fyrir aukefnaframleiðslu og ekki er hægt að framleiða þær með neinu hefðbundnu ferli.
Hagnýti ávinningurinn er verulegur. Í einni sýnikennslunni náði gyroid-byggður varmaskiptir fyrir kælingu á þyrluflutningsolíu fjórfaldri kælingargetu við helmingi stærri en hefðbundin skel-og-rör hönnun. Aukaframleiðsla gerir „flókna þrívíddarrúmfræði sem bætir verulega varmaflutning-rúmfræði sem ekki hefði verið hægt að framleiða með hefðbundinni framleiðslu.“ Með einum mælikvarða er slík hönnun betri en hefðbundin hliðstæða um 30–50% fyrir sama inntaksafl, en eykur samtímis rúmmáls- og þyngdaraflþéttleika, sem leiðir til minni massa og meiri þéttleika.
Einhverfa smíði: Engar suðu, engar þéttingar, engar sprungur
Mikilvægur aukaávinningur AM fyrir ætandi þjónustu er brotthvarf liða. Hefðbundnir Hastelloy varmaskiptar þurfa:
Rör-í-pípu suðu eða stækkun (hugsanlegar sprungur tæringarstaðir)
Skel-í-pípusuður
Margar lóðaðar eða soðnar plötusamstæður
Hver suðu eða samskeyti táknar hugsanlegan bilunarpunkt í ætandi klóríði eða blönduðu sýruumhverfi. Sprungur fanga staðnaðan raflausn, eyða súrefni og súrna staðbundið-klassíski kveikjan að tæringarárás sprungna.
Hægt er að smíða Hastelloy skipti sem er framleiddur með aukefnum sem einn einlita blokk sem inniheldur báðar vökvarásirnar. Það eru engir soðnir saumar, engir þéttir flansar og engar sprungur þar sem árásargjarnar tegundir geta einbeitt sér. Þetta er sérstaklega dýrmætt í forritum eins og hlutleysingu sýruúrgangs, vinnslu með halógenuðum leysiefnum eða afsöltun sjávar þar sem jafnvel smásjálegur leki getur verið skelfilegur.
Léttþyngd og efnisnýtni
Hefðbundnir Hastelloy varmaskiptar eru þungir. Hár þéttleiki nikkel-undirstaða málmblöndur (≈8,9 g/cm³) ásamt þörfinni fyrir þykka veggi til að mæta vinnsluþolum og þrýstingsinnihaldi leiðir til verulegs massa.
AM leyfir mjög þunna veggi-allt að 0,2–0,5 mm í reynd fyrir Hastelloy-vegna þess að duftlagsferlið gerir ekki kröfur um lágmarksveggþykkt. Innri TPMS grindarvirkin veita einnig burðarvirki stífleika með verulega minnkað efnisrúmmál. Eins og ein rannsókn benti á, gerir aukefnaframleiðsla "bjartsýni flæðisrása, grindarvirki og þunna veggi, sem bætir verulega skilvirkni hitaflutnings en dregur úr efnisnotkun." Þessi léttvigt er sérstaklega mikilvæg í þyngdarviðkvæmum forritum eins og hreyfanlegri efnavinnslu, hafpöllum og varmastjórnunarkerfum í geimnum.
Athugasemdir eftir vinnslu: Púðurfjarlæging og yfirborðsfrágangur
Þó að LPBF geri óvenjulega innri flókið kleift, kynnir það tvær hagnýtar áskoranir sem þarf að takast á við áður en hægt er að setja varmaskiptinn í ætandi þjónustu.
Innri duftfjarlæging. Óblandað Hastelloy duft festist inni í flóknum innri rásum og TPMS holum. Handvirkt fjarlæging er oft ómögulegt í djúpum eða hlykkjóttum göngum. Háþróuð dufthreinsunartækni hefur verið þróuð, þar á meðal sjálfvirk kerfi sem nota hornréttan titring og forritanlegan tvíása snúning. Eins og leiðandi framleiðandi AM búnaðar bendir á, "afgangsduft getur skert virkni íhluta, sérstaklega í varmaskiptum eða vökvarásum." Þó að það sé áhrifaríkt er algjörlega duftfjarlæging mikilvægt atriði, sérstaklega fyrir ofurflókna TPMS hönnun.
Yfirborðsgrófleiki og frágangur. Eins og prentaðir hlutar sýna meiri yfirborðsgrófleika en venjulegar unnar íhlutir. Í notkun varmaskipta getur þessi grófleiki á mótsagnarkenndan hátt aukið varmaflutning með því að stuðla að ókyrrð flæði og trufla hitauppstreymi. Hins vegar, óhófleg grófleiki eykur þrýstingsfall og getur fangað ætandi tegundir, hugsanlega flýtt fyrir staðbundinni árás. Eftirvinnsluaðferðir eins og efnaslípun, úthljóðsböð og lofttæmissuðu hafa verið þróaðar til að bæta yfirborðsgæði í innri rásum. Fyrir mikilvægar umsóknir geta stýrð yfirborðsfrágangur dregið úr grófleika en útilokað að hluta hertu duftleifar, sem tryggir betri vélræna eiginleika og langtímaáreiðanleika.
Óeyðandi skoðun á flóknum innri rúmfræði
Að sannreyna gæði einhæfs, aukframleidds varmaskiptis með ósýnilegum innri rásum er veruleg skoðunaráskorun. Hefðbundnar non-destructive prófunaraðferðir (NDT) eins og röntgenmyndataka eru takmörkuð notagildi fyrir TPMS eða gyroid uppbyggingu vegna skarast eiginleika í vörpun myndum.
Iðnaðar röntgensneiðmyndatökur (CT) hafa komið fram sem eftirlitstækni sem gerir kleift. Tölvuskönnun með upplausnum niður í 3–15 µm/voxel getur greint:
Óbrætt duft fast í innri holrúmum
Grop og tóm innan þunnra veggja
Veggþykktarbreytingar á flóknum flötum
Geometrísk frávik frá CAD líkaninu
Eitt heildrænt mat með því að nota vélræna CT greindi þrjár aðskildar AM-varmaskiptahönnun-OSF, WAVY og TPMS-og greindist með góðum árangri „óbrætt duft, sem hafði áhrif á skilvirkni þeirra; auk þess sáust ýmsir litlir porosity“. Tæknin gerir kleift að skanna að fullu fyrir rúmfræðilegt fráviksmat og tölfræðilega veggþykktargreiningu, sem veitir gæðatryggingu sem nauðsynleg er fyrir notkun í tæringarþjónustu sem er mikilvæg fyrir öryggi.
Innleiðing iðnaðar: Frá loftrými til efnavinnslu
Aukaframleiðsla á Hastelloy varmaskiptum er um þessar mundir að breytast frá rannsóknarstofum yfir í viðskiptalega notkun. Geimferða- og varnargeirinn hefur verið snemma notaður og nýtt AM fyrir þyngdar- og frammistöðukosti. Fyrirtæki eins og TEMISTh hafa framleitt nikkel-undirstaða ál varmaskiptakjarna með 50 µm lagþykkt í byggingu sem fer yfir 130 samfelldar klukkustundir, og ná efnisþéttleika eftir vinnslu yfir 99,9% eftir hitameðhöndlun.
Í efnavinnslu og olíu-og-gasiðnaði er innleiðing hraðari fyrir sessumsóknir þar sem samsetning tæringarþols Hastelloy og rúmfræðilegrar frammistöðu AM réttlætir hærri kostnað. Blendingaraðferðir eru einnig að koma fram: ein aðferðin notar AlSi10Mg fyrir innri leið með mikla hitaleiðni, með ytri skel sem er framleidd úr Hastelloy C-22 fyrir tæringarþol. Þessi nálgun í mörgum efnum lofar að hámarka bæði hitauppstreymi og efnaþol samtímis.
Takmarkanir og núverandi áskoranir
Þrátt fyrir loforð sitt er viðbótarframleiðsla á Hastelloy varmaskiptum ekki enn sem komið er í stað hefðbundinnar hönnunar. Nokkrar takmarkanir eru viðvarandi:
Efniskostnaður. Hastelloy duft er enn dýrt og LPBF ferlar hafa lægri afköst en hefðbundin framleiðsla.
Sprungunæmi. Sumar Hastelloy flokkar (sérstaklega Hastelloy X) sýna mikla næmi fyrir storknunarsprungum meðan á LPBF stendur. Nauðsynlegt er að fínstilla ferilbreytur vandlega.
Byggja stærðartakmarkanir. Flest LPBF kerfi í atvinnuskyni hafa byggingarmagn takmarkað við 400 × 400 × 400 mm eða minna, sem takmarkar stærð einlita skipta. Mátsamsetning smærri prentaðra hluta er ein lausn.
Yfirborðsfrágangur stjórna. Eins og prentað yfirborðsgróft, þó að það sé hugsanlega gagnlegt fyrir hitaflutning, verður að einkenna og stjórna til að tryggja fyrirsjáanlega tæringarafköst.
Staðfesting á tæringu. Rafefnafræðileg tæringarhegðun Hastelloy sem er framleidd með aukefnum hefur verið rannsökuð í súru umhverfi, þar á meðal 2 M saltpéturssýru, saltsýru og brennisteinssýru. Ein rannsókn staðfesti að leysistýrð-orkuútfelld Hastelloy X sýnir viðunandi tæringarhraða (innan 4 mpy fyrir nikkel-undirstaða málmblöndur). Hins vegar eru langtímagögn á sviði í blandaðri sýruþjónustu enn takmörkuð.
Niðurstaða: Ný kynslóð sérsniðinna hitauppstreymistækja
3D prentun er að brjóta upp hefðbundnar hönnunarþvinganir Hastelloy varmaskipta, sem gerir nýja kynslóð af fyrirferðarlítilli, ofurhagkvæmum, sérsniðnum varmatækjum kleift fyrir árásargjarnasta ætandi umhverfi. Laser duftbeðsamruni Hastelloy C-22 og C-276 skapar einlita íhluti með innri fínstilltum flæðisgöngum-gyroid grindarbyggingum, sléttum sveigðum rásum og hönnuðum ókyrrðarhvötum-sem auka varmaflutning til muna og draga úr þyngd. Verið er að takast á við áskoranir eftir vinnslu á duftfjarlægingu og yfirborðsfrágangi með sjálfvirkum dufthreinsunarkerfum og háþróaðri CT-undirstaða óeyðandi skoðun. Framtíðarverksmiðjan mun prenta sína eigin tæringarþétta varmaskipta, sérsniðna nákvæmlega að vökvavirkni og efnaárásarsniði hvers tiltekins ferlis. Fyrir verkfræðinga sem tilgreina hitauppstreymi fyrir heita sýruþjónustu, klóríðhlaðinn saltvatn eða oxandi blandaða strauma, er Hastelloy framleiddur með aukefnum ekki lengur rannsóknarforvitni-það er hagnýt, fáanleg og sífellt hagkvæmari leið til betri frammistöðu.
