导读：在海事行业，尤其是在造船领域，材料的选择至关重要。在航空航天等行业，轻量化和耐高温是首要考虑因素，而在海事领域，耐腐蚀性和耐久性才是最重要的材料特性。这完全合情合理：船舶部件必须能够承受恶劣的海洋环境，包括海水的腐蚀性，同时还要保证结构完整性和较长的使用寿命。
鉴于上述原因，海事行业倾向于使用相对较少的几种金属类型，包括钢（例如，船体由钢制成）、铝（用于上层建筑和非结构部件，以最大限度地提高燃油效率）、因科镍合金（用于螺旋桨叶片和洗涤器）以及其他高温合金。在蓬勃发展的海事增材制造（AM）细分领域，少数几种特定合金脱颖而出，其中最主要的是铜镍合金（CuNi）材料。
铜镍合金在海事行业已得到广泛应用。这种金属以其优异的耐腐蚀性和低宏观污垢附着率而闻名，在海上、船舶和造船领域有着广泛的应用，包括海水淡化系统、管道、热交换器、冷凝器等等。虽然海事行业中大多数铜镍部件仍采用铸造等传统方法制造，但随着增材制造（AM）行业的公司不断开发和验证适用于各种金属3D打印工艺的铜镍材料，增材制造正日益成为一种可行的选择。考虑到铸造铜镍合金容易出现裂纹和气孔等问题，需要返工，最终导致成本和交货时间增加，这一点尤为重要。
△海事用增材制造CuNi合金（图片：EOS）
增材制造技术能够制造铜镍合金零件，为造船和海军机构带来诸多益处，包括缩短生产周期（无需模具）、减少对大量库存的依赖、简化供应链以及制造更高效的零部件。此外，增材制造还能通过最大限度地减少材料浪费和实现更本地化的生产，从而减少物流相关的排放，进而促进更可持续的生产实践。定向能量沉积（DED）等技术也使得现有零件的增材修复成为可能，这在可持续性（延长大型零件的使用寿命）和成本控制方面都具有优势。
在增材制造（AM）行业，目前只有少数公司提供铜镍合金材料。值得注意的是，尽管这个群体规模不大，但正在迅速增长，过去一年中已有新的铜镍合金产品推出并经过验证。这种增长表明，金属增材制造行业已经意识到海事领域作为增材制造应用领域的巨大潜力。
3D Systems公司于2022年推出了首款专为船舶增材制造而开发的CuNi合金——CuNi30，由3DSystems与HII旗下纽波特纽斯造船厂合作开发，并应用于DMPFlex
350平台。据报道，与铸造零件相比，CuNi30无需模具即可制造出密度和机械性能更优异的零件，并且在400°C至-270°C的宽广温度范围内均表现出良好的稳定性。这些特性使得CuNi30适用于一系列船舶（及相关领域）应用，例如船舶管道配件、阀门和泵；海上油气设备部件；化工和核能设备；甚至低温系统。
CuNi材料的引入使纽波特纽斯造船厂能够利用激光粉末床熔融（LPBF）技术的优势，满足小批量、多品种零件的需求。在材料推出之时，最终用户预计与传统的铸造工艺相比，交货周期将大幅缩短75%，库存成本也将显著降低。
自 3D Systems 发布认证的CuNi30 粉末以来，德国 3D 打印领导者EOS也开发了自己的用于 LBPF 的 CuNi30 粉末：镍含量为 28%–32%，并含有少量铌、铁和锰。这种铜镍合金于 2024 年初上市，具有一系列适用于海洋应用的特性，例如在热处理后的水平成型件中强度高达 700 MPa，以及优异的延展性，抗拉强度约为 510 MPa，延伸率超过 20%。
这款合金由EOS与飞利浦联邦公司和美国奥斯塔公司合作开发并验证，用于美国潜艇工业基地（SIB）。具体而言，EOS开发铜镍材料的目的是为了“缓解美国海军2+1级哥伦比亚级和弗吉尼亚级潜艇平台传统铸造部件的供应链压力”。这种增材制造级材料符合ASTM
B369-09标准中的UNS
C96400规范，并具有与铸造CuNi部件相同的耐腐蚀性，且避免了铸造过程中的诸多难题。在应用方面，EOS的CuNi30合金非常适合用于各种海事部件，包括泵、叶轮、潜艇海水进水阀、高压管道和推进硬件。
2024年，ADDMAN集团通过Harbec业务部门与美国海军达成合作，共同开展潜艇用CuNi部件的认证工作。此次认证工作的最终目标是确立增材制造（AM）作为CuNi部件的可行生产方法，从而加快采购周期并提升部件整体质量。具体而言，对于美国海军而言，3D打印的CuNi部件有望满足“2+1”潜艇的生产目标。 过去五个月里，至少出现了三项旨在提升铜镍合金增材制造性能的新举措，目标是推动增材制造技术在海事和国防（特别是海军）领域的应用。总部位于澳大利亚的线材增材制造（WAM）专家AML3D于5月宣布，已与美国海军潜艇工业基地支持机构——非营利性集成商BlueForge
Alliance签署了一份价值101万美元的采购订单，用于开发和认证用于国防应用的铜镍合金。此前，该公司已于2023年成功完成了一种铜镍合金的特性分析，合金开发任务是美国海军潜艇认证项目的一部分。
同月，总部位于英国的金属增材制造公司雷尼绍宣布与奥地利金属粉末制造商Metalpine合作，共同开发和验证CuNi粉末，以帮助一支“欧洲主要海军部队”自主生产替换零件。具体而言，双方合作开发了CuNi 10（由90%的铜和10%的镍组成）和CuNi30（由70%的铜和30%的镍组成）的工艺参数。
雷尼绍增材制造设计与应用工程师 Alex Garcia
表示：“通过这些精确的设置，我们克服了材料本身的挑战，确保了能够承受恶劣海洋环境的高质量、耐用零件。这种优化提高了零件的强度和使用寿命，并确保了结果的一致性，使我们的海军客户能够制造出在严苛条件下可靠运行的零件。”
近日，美国金属增材制造公司Velo3D宣布，已为Sapphire系列3D打印机开发并认证了一种CuNi合金。这项价值600万美元的合同正式启动了项目，将为美国海军海事工业基地维修关键舰船结构和部件提供支持。值得注意的是，Velo3D表示，这份合同将使其成为首家为自主研发的3D打印机（包括大幅面Sapphire
XC 3D打印机）认证CuNi合金的美国原始设备制造商（OEM）。
CuNi 的开发过程由 Velo3D 公司位于加利福尼亚州弗里蒙特的团队领导，他们将为一家国内公开采购的金属粉末供应商提供的粉末制定工艺参数（这是美国海军保持供应链独立性的必要考虑因素）。
最终，用于增材制造工艺和平台的 CuNi 合金的开发只会使海事和海军领域的最终用户受益，因为他们不仅可以利用CuNi 材料的有利特性，还可以利用增材制造固有的优势，包括设计自由度、生产灵活性和材料效率。
来源：南极熊
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