چگونه ساخت افزودنی (چاپ سه بعدی) Hastelloy گذرگاه های جریان داخلی پیچیده را در مبدل های حرارتی خورنده ممکن می کند؟

یک مبدل حرارتی معمولی Hastelloy دارای لوله های مستقیم و گذرگاه های سوراخ شده است. تولید افزودنی، با استفاده از لیزر برای ادغام لایه به لایه پودر فلز، می‌تواند یک مبدل با شبکه‌ای از کانال‌های ارگانیک با انحنای صاف ایجاد کند که به طرز چشمگیری بهتر از هر چیزی که می‌تواند حفاری، آسیاب یا خم شود، عمل کند. این همگرایی سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل با کارایی بالا و فناوری همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) دهه‌ها محدودیت‌های طراحی را از بین می‌برد و نسل جدیدی از دستگاه‌های مدیریت حرارتی فوق فشرده، بسیار کارآمد و مقاوم در برابر خوردگی را قادر می‌سازد.

محدودیت های ساخت مبدل های حرارتی معمولی هاستلوی

Hastelloy C-22 (همچنین به عنوان آلیاژ 22 شناخته می شود) و C-276 سوپر آلیاژهای مبتنی بر نیکل هستند که به دلیل مقاومت استثنایی خود در برابر اسیدهای مخلوط، کلریدها و اکسیداسیون در دمای بالا بسیار ارزشمند هستند. محتوای بالای کروم (≈22 wt%)، مولیبدن (≈13 wt%) و تنگستن (≈3 wt%) باعث تقویت محلول جامد می شود و یک فیلم اکسید غیرفعال مقاوم را تشکیل می دهد که در برابر محیط های شیمیایی تهاجمی محافظت می کند. با این حال، همین ویژگی‌ها، ماشین‌کاری Hastelloy را در تولید کسر متعارف دشوار می‌کند. سخت شدن کار، رسانایی حرارتی کم و سایش زیاد ابزار، پیچیدگی هندسه های داخلی را که می توان با حفاری، آسیاب کردن یا خمش تولید کرد، محدود می کند.

مبدل‌های حرارتی سنتی-مجموعه‌های پوسته و لوله، باله صفحه یا لحیم کاری شده-به کانال‌های مستقیم، خم‌های U و گذرگاه‌های شعاعی متکی هستند. مسیرهای جریان داخلی اساساً توسط ابزارهای برش یا سنبه خمشی محدود می شوند. همانطور که یک محقق اشاره کرد، "طراحی مبدل های حرارتی، پیکربندی هندسی مکانیکی مبدل های حرارتی، در دهه ها تغییر نکرده است." محدودیت‌ها مفهومی نیستند، بلکه مبتنی بر تولید هستند: شکل‌های سه‌بعدی مطلوبی که می‌توانند مبادله بین انتقال حرارت، افت فشار و اندازه مبدل را بهینه کنند، در عمل به سادگی قابل دستیابی نیستند.

افزودنی ساخت: لیزر پودر بستر فیوژن از Hastelloy

تولید افزودنی (AM) طراح را از این محدودیت‌های کاهنده رها می‌کند. لیزر پودر فیوژن (LPBF)-همچنین به عنوان ذوب لیزری انتخابی شناخته می‌شود-فناوری غالب AM برای فلزات با کارایی بالا است. یک لیزر پرقدرت به طور انتخابی پودر Hastelloy اتمیزه شده با گاز را در یک بستر نازک، معمولا با ضخامت لایه 30 تا 60 میکرومتر ذوب می کند. پلت فرم ساخت به صورت تدریجی پایین می آید و این روند تا زمانی که کل جزء سه بعدی کامل شود تکرار می شود.

برای Hastelloy C-22 (آلیاژ 22)، پارامترهای فرآیند LPBF برای دستیابی به چگالی نسبی بیش از 99.6٪ بهینه شده اند، با عملیات پس از پردازش مانند پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) و عملیات حرارتی محلول که تخلخل باقیمانده را حذف می کند و به خواص مکانیکی قابل مقایسه با wr می شود. یک مطالعه تطبیقی ​​بر روی AM مبتنی بر همجوشی Hastelloy C-22 و C-276 استحکام کششی تا 5.1 ± 772 مگاپاسکال برای C-22، با حداکثر سختی 320 HV را گزارش کرد که نشان می‌دهد که Hastelloy ساخته شده با مواد افزودنی می‌تواند به طور خاص مطابق با اجزای ساخته شده باشد یا از آن فراتر رود.

قابلیت کلید باز شده توسط LPBF پیچیدگی هندسه داخلی است. لیزر جزء را از داده های CAD بدون نیاز به دسترسی ابزار می سازد. کانال‌های داخلی می‌توانند سطح مقطع، شاخه، منحنی را در سه بعدی تغییر دهند و ساختارهای شبکه‌ای متخلخل{2}} را به‌صورت یک بخش منفرد و یکپارچه بدون درزهای جوشی، اتصالات واشر یا رابط‌های لحیم‌شده در خود بگنجانند.

گذرگاه های جریان داخلی پیچیده: از لوله های مستقیم تا سطوح حداقل دوره ای سه گانه

دگرگون‌کننده‌ترین فضای طراحی که توسط تولید افزودنی باز می‌شود، گذرگاه‌های جریان مبدل حرارتی Hastelloy، استفاده از ساختارهای شبکه سه‌گانه دوره‌ای حداقل سطح (TPMS)، به ویژه توپولوژی ژیروید است. برخلاف کانال‌های حفاری معمولی، ساختارهای TPMS سطوح پیوسته و ریاضی تعریف شده‌ای هستند که فضا را به دو حوزه سیال متقاطع اما غیرمتقاطع تقسیم می‌کنند. نشان داده شده است که ساختارهای ژیروید نسبت به مبدل های حرارتی صفحه ای سنتی 54 درصد بهبود کارایی را ارائه می دهند و ضرایب انتقال حرارت حجمی قابل توجهی بالاتری دارند.

تحقیقات به طور سیستماتیک تأثیر ساختارهای شبکه ژیروید، الماس و SplitP را بر عملکرد مبدل حرارتی بررسی کرده است. با تنظیم اندازه سلول و ضخامت دیواره، پیکربندی های بهینه ای را می توان شناسایی کرد که بازده انتقال حرارت را به حداکثر می رساند و در عین حال یکپارچگی ساختاری را حفظ می کند و افت فشار را به حداقل می رساند. این سازه ها به طور خاص برای تولید مواد افزودنی طراحی شده اند و با هیچ فرآیند معمولی قابل تولید نیستند.

مزایای عملی قابل توجه است. در یکی از نمایش‌دهنده‌ها، یک مبدل حرارتی مبتنی بر ژیروید برای خنک‌کننده روغن انتقال هلیکوپتر، چهار برابر ظرفیت خنک‌کنندگی را در نصف اندازه طراحی پوسته و لوله معمولی به دست آورد. ساخت افزودنی «هندسه‌های سه بعدی پیچیده را امکان‌پذیر می‌کند که هندسه‌های{3}}انتقال حرارت را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد که با ساخت معمولی قابل ساخت نبودند». با یک معیار، چنین طرح‌هایی 30 تا 50 درصد از همتایان سنتی برای همان توان ورودی بهتر عمل می‌کنند، در حالی که به طور همزمان چگالی توان حجمی و وزنی را افزایش می‌دهند، که منجر به جرم کمتر و فشردگی بالاتر می‌شود.

ساخت و ساز یکپارچه: بدون جوش، بدون واشر، بدون شکاف

یک مزیت ثانویه مهم AM برای خدمات خورنده، از بین بردن اتصالات است. مبدل های حرارتی معمولی Hastelloy به موارد زیر نیاز دارند:

جوش‌ها یا انبساط‌های لوله به ورق لوله (محل‌های احتمالی خوردگی شکاف)

جوش های پوسته به ورق لوله

مجموعه صفحات لحیم کاری یا جوشی متعدد

هر جوش یا اتصال نشان دهنده یک نقطه شکست بالقوه در محیط های خورنده کلرید یا اسید مخلوط است. شکاف ها الکترولیت راکد را به دام می اندازند، اکسیژن را تخلیه می کنند و به صورت موضعی اسیدی می شوند-محرک کلاسیک برای حمله خوردگی شکاف.

یک مبدل Hastelloy که به صورت افزودنی ساخته می‌شود، می‌تواند به صورت یک بلوک یکپارچه که شامل هر دو مدار سیال است، ساخته شود. هیچ درز جوش داده شده، هیچ فلنج واشر، و هیچ شکافی وجود ندارد که گونه های تهاجمی بتوانند در آن متمرکز شوند. این امر به ویژه در کاربردهایی مانند خنثی سازی زباله های اسیدی، پردازش حلال هالوژنه، یا نمک زدایی دریایی که حتی یک نشت میکروسکوپی می تواند فاجعه بار باشد، بسیار ارزشمند است.

سبک وزن و کارایی مواد

مبدل های حرارتی معمولی Hastelloy سنگین هستند. چگالی بالای آلیاژهای مبتنی بر نیکل (≈8.9 گرم بر سانتی‌متر مکعب) همراه با نیاز به دیواره‌های ضخیم برای تطبیق با تحمل ماشین‌کاری و مهار فشار منجر به جرم قابل توجهی می‌شود.

AM اجازه دیوارهای بسیار نازک-تا 0.2 تا 0.5 میلی‌متر در عمل Hastelloy را می‌دهد-زیرا فرآیند بستر پودری حداقل الزامات ضخامت دیوار را اعمال نمی‌کند. ساختارهای شبکه TPMS داخلی نیز استحکام ساختاری را با کاهش چشمگیر حجم مواد فراهم می کند. همانطور که یک مطالعه اشاره کرد، تولید افزودنی «کانال‌های جریان، ساختارهای شبکه‌ای و دیواره‌های نازک را بهینه می‌کند، و به طور قابل توجهی بازده انتقال حرارت را بهبود می‌بخشد و در عین حال مصرف مواد را کاهش می‌دهد». این سبک وزنی به ویژه در کاربردهای حساس به وزن مانند پردازش های شیمیایی متحرک، سکوهای دریایی و سیستم های مدیریت حرارتی هوافضا بسیار مهم است.

ملاحظات پس از پردازش: حذف پودر و پایان سطح

در حالی که LPBF پیچیدگی داخلی خارق‌العاده‌ای را ممکن می‌سازد، دو چالش عملی را معرفی می‌کند که باید قبل از اینکه مبدل حرارتی در سرویس خورنده قرار گیرد، مورد توجه قرار گیرد.

حذف پودر داخلی پودر Hastelloy ذوب نشده در کانال های داخلی پیچیده و حفره های TPMS به دام می افتد. حذف دستی اغلب در معابر عمیق یا پرپیچ و خم غیرممکن است. تکنیک‌های پودرزدایی پیشرفته توسعه یافته‌اند، از جمله سیستم‌های خودکار با استفاده از ارتعاش متعامد و چرخش دو محوره قابل برنامه‌ریزی. همانطور که یکی از تولید کنندگان پیشرو تجهیزات AM اشاره می کند، "پودر باقیمانده می تواند عملکرد اجزا را به ویژه در مبدل های حرارتی یا کانال های سیال مختل کند." در حالی که حذف کامل پودر موثر است، به ویژه برای طرح های فوق پیچیده TPMS یک نکته قابل توجه است.

زبری سطح و تکمیل. قطعات چاپ شده زبری سطح بالاتری نسبت به قطعات ماشینکاری معمولی نشان می دهند. در کاربردهای مبدل حرارتی، این ناهمواری می تواند به طور متناقضی انتقال حرارت را با افزایش جریان آشفته و ایجاد اختلال در لایه های مرزی حرارتی افزایش دهد. با این حال، زبری بیش از حد افت فشار را افزایش می‌دهد و ممکن است گونه‌های خورنده را به دام بیاندازد و به طور بالقوه حمله موضعی را تسریع کند. روش های پس از پردازش مانند پرداخت شیمیایی، حمام اولتراسونیک و جوش خلاء برای بهبود کیفیت سطح در کانال های داخلی توسعه یافته اند. برای کاربردهای حیاتی، فرآیندهای تکمیل سطح کنترل شده می‌توانند زبری را کاهش دهند و در عین حال باقی‌مانده‌های پودر نیمه پخته شده را از بین ببرند و از خواص مکانیکی بهتر و قابلیت اطمینان طولانی‌مدت اطمینان حاصل کنند.

بازرسی غیر مخرب هندسه های پیچیده داخلی

بررسی کیفیت یک مبدل حرارتی یکپارچه تولید شده با کانال‌های داخلی نامرئی، چالش مهمی در بازرسی است. روش‌های آزمایش غیرمخرب سنتی (NDT) مانند رادیوگرافی برای TPMS یا ساختارهای ژیروید به دلیل همپوشانی ویژگی‌ها در تصاویر برون‌تابی کاربرد محدودی دارند.

توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس صنعتی (CT) به عنوان فناوری بازرسی توانمند ظاهر شده است. سی تی اسکن با وضوح کمتر از 3 تا 15 میکرومتر بر وکسل می تواند تشخیص دهد:

پودر ذوب نشده در حفره های داخلی به دام افتاده است

تخلخل و حفره های درون دیواره های نازک

تغییرات ضخامت دیوار در سطوح پیچیده

انحرافات هندسی از مدل CAD

یک ارزیابی کل نگر با استفاده از CT روباتیک، سه طرح مبدل حرارتی AM متمایز-OSF، WAVY، و TPMS- را تجزیه و تحلیل کرد و با موفقیت "پودر ذوب نشده، تاثیرگذار بر کارایی آنها را شناسایی کرد؛ علاوه بر این، تخلخل های کوچک مختلفی مشاهده شد." این تکنیک اسکن کامل بخش را برای ارزیابی انحراف هندسی و تجزیه و تحلیل آماری ضخامت دیواره امکان‌پذیر می‌سازد و تضمین کیفیت لازم برای استقرار در سرویس خورنده از نظر ایمنی را فراهم می‌کند.

پذیرش صنعت: از هوافضا تا پردازش شیمیایی

تولید افزودنی مبدل های حرارتی Hastelloy در حال حاضر از آزمایشگاه های تحقیقاتی به کاربرد تجاری در حال انتقال است. بخش‌های هوافضا و دفاع اولین پذیرندگان بوده‌اند و از AM برای مزایای وزن و عملکرد استفاده کرده‌اند. شرکت هایی مانند TEMISTh هسته های مبدل حرارتی آلیاژی مبتنی بر نیکل را با ضخامت لایه 50 میکرومتر در ساخت های بیش از 130 ساعت مداوم تولید کرده اند که پس از عملیات حرارتی به تراکم مواد پس از فرآیند بیش از 99.9 درصد دست می یابند.

در صنایع فرآوری شیمیایی و نفت و گاز، پذیرش برای کاربردهای خاص که ترکیبی از مقاومت به خوردگی Hastelloy و عملکرد هندسی AM هزینه بالاتر را توجیه می‌کند، تسریع می‌یابد. رویکردهای ترکیبی نیز در حال ظهور هستند: یک استراتژی از AlSi10Mg برای گذرگاه‌های داخلی با رسانایی گرمایی بالا استفاده می‌کند، با پوسته بیرونی ساخته شده از Hastelloy C-22 برای مقاومت در برابر خوردگی. این رویکرد چند ماده ای نوید بهینه سازی عملکرد حرارتی و دوام شیمیایی را به طور همزمان می دهد.

محدودیت ها و چالش های فعلی

علیرغم وعده آن، تولید افزودنی مبدل های حرارتی Hastelloy هنوز جایگزینی برای طرح های معمولی نیست. چندین محدودیت وجود دارد:

هزینه مواد. پودر Hastelloy گران است و فرآیندهای LPBF نسبت به تولید معمولی توان عملیاتی کمتری دارند.

حساسیت به ترک برخی از گریدهای Hastelloy (به ویژه Hastelloy X) حساسیت بالایی به ترک خوردگی انجماد در طول LPBF نشان می دهند. بهینه سازی دقیق پارامتر فرآیند مورد نیاز است.

ایجاد محدودیت های اندازه اکثر سیستم های تجاری LPBF دارای حجم های ساخت محدود به 400 × 400 × 400 میلی متر یا کمتر هستند که اندازه مبدل های یکپارچه را محدود می کند. مونتاژ مدولار بخش های چاپی کوچکتر یک راه حل است.

کنترل پایان سطح. زبری سطح چاپ شده، در حالی که به طور بالقوه برای انتقال حرارت مفید است، باید مشخص و کنترل شود تا عملکرد خوردگی قابل پیش بینی تضمین شود.

اعتبارسنجی عملکرد خوردگی رفتار خوردگی الکتروشیمیایی Hastelloy ساخته شده با مواد افزودنی در محیط های اسیدی از جمله اسید نیتریک 2 مولار، اسید کلریدریک و اسید سولفوریک مورد مطالعه قرار گرفته است. یک تحقیق تأیید کرد که Hastelloy X رسوب‌شده با انرژی هدایت‌شده با لیزر، نرخ خوردگی قابل‌قبولی را نشان می‌دهد (در عرض 4 mpy برای آلیاژهای مبتنی بر نیکل). با این حال، داده های میدانی طولانی مدت در سرویس اسید مخلوط هنوز محدود است.

نتیجه‌گیری: نسل جدیدی از دستگاه‌های حرارتی سفارشی

چاپ سه‌بعدی محدودیت‌های طراحی سنتی مبدل‌های حرارتی Hastelloy را از بین می‌برد و نسل جدیدی از دستگاه‌های حرارتی سفارشی فشرده، فوق‌العاده کارآمد را برای تهاجمی‌ترین محیط‌های خورنده ممکن می‌سازد. همجوشی بستر پودر لیزری Hastelloy C-22 و C-276، اجزای یکپارچه را با گذرگاه‌های جریان بهینه‌سازی شده داخلی-ساختارهای شبکه ژیروید، کانال‌های انحنای صاف و محرک‌های تلاطم مهندسی شده- ایجاد می‌کند که به طور چشمگیری انتقال حرارت را افزایش داده و وزن را کاهش می‌دهد. چالش‌های پس از پردازش حذف پودر و تکمیل سطح با سیستم‌های پودرزدایی خودکار و بازرسی غیرمخرب پیشرفته مبتنی بر CT بررسی می‌شوند. کارخانه آینده مبدل های حرارتی ضد خوردگی خود را چاپ خواهد کرد که دقیقاً مطابق با پویایی سیالات و مشخصات حمله شیمیایی هر فرآیند خاص طراحی شده است. برای مهندسانی که تجهیزات حرارتی را برای سرویس اسید داغ، آب نمک های مملو از کلرید، یا جریان های مخلوط اکسید کننده مشخص می کنند، Hastelloy تولید شده با مواد افزودنی دیگر یک کنجکاوی تحقیقاتی نیست{9}}این یک مسیر عملی، در دسترس و مقرون به صرفه برای عملکرد برتر است.