新熱處理工藝，提高金屬3D打印零件極端條件的韌性和硬度

南極熊導讀：金屬3D打印元件在制造后通常需要經(jīng)過熱處理工藝。尤其是在航空航天和軍工領域，對零件的性能有著非常嚴格的要求。它減少了制造過程中形成的內應力并改變了元件的形態(tài)。這種微觀結構的改變會改變某些屬性，例如韌性、硬度等。

△金屬3D打印制造過程示意圖

2022年11月14日，南極熊獲悉，麻省理工學院開發(fā)了一種新的熱處理方式可改變金屬3D打印的微觀結構，使材料在極端熱環(huán)境中更堅固、更有彈性。該技術可以使3D打印用于發(fā)電燃氣輪機和噴氣發(fā)動機的高性能葉片成為可能。同時可推動新的設計技術，這意味著人們還可獲得更高的能源轉換效率。

△西門子使用激光粉末床熔融(L-PBF)對渦輪葉片進行維修和升級

技術背景
今天的燃氣輪機葉片是通過傳統(tǒng)的鑄造工藝制造的，在這種工藝中，熔融金屬被倒入復雜的模具中并定向凝固。這些部件由地球上一些最耐熱的金屬合金制成，因為它們設計用于在極熱的氣體中高速旋轉，動過動能為發(fā)電廠發(fā)電或為噴氣發(fā)動機提供推力。

現(xiàn)在，人們對3D打印制造渦輪葉片的興趣越來越大，除了其環(huán)境和成本優(yōu)勢外，它還可以讓制造商快速生產(chǎn)出更復雜、更節(jié)能的葉片。但3D打印渦輪葉片一直存在一個難以逾越的大障礙：蠕變。

麻省理工學院航空航天事業(yè)波音職業(yè)發(fā)展教授Zachary Cordero說“在實踐中，這意味著燃氣輪機的壽命會更短或燃油效率更低�！�

Cordero和他的同事找到了一種改進3D打印合金結構的方法，方法是增加一個額外的熱處理步驟，將打印材料的細晶粒轉化為更大的“柱狀”晶粒，它是一種更堅固的微觀結構，可以最大限度地減少材料的蠕變潛力，因為“柱”與最大應力軸對齊。研究人員表示，這種方法為燃氣輪機葉片的工業(yè)3D打印掃清了道路。

Cordero說“在不久的將來，我們設想燃氣輪機制造商，將在大型3D打印工廠打印他們的葉片，通過使用我們的熱處理對其進行后處理。3D打印將啟用新的冷卻架構，這樣做的好處是可以提高渦輪機的熱效率，使其產(chǎn)生相同數(shù)量的功率，同時燃燒更少的燃料，最終排放更少的二氧化碳�！�

△麻省理工學院發(fā)現(xiàn)，通過新的熱處理，3D打印金屬可以承受極端條件

觸發(fā)微觀結構的轉變
該團隊的新方法是定向再結晶的一種形式，一種使材料以精確控制的速度通過熱區(qū)的熱處理，將材料的許多微觀晶粒融合成更大、更堅固、更均勻的晶體。

定向再結晶技術發(fā)明于80多年前，并已應用于變形材料。在他們的新研究中，該團隊在3D打印的鎳基高溫合金時使用了定向再結晶方法。研究人員將棒狀高溫合金的3D打印樣品置于感應線圈正下方的室溫水浴中。他們慢慢地將每根棒從水中拉出并以不同的速度穿過線圈，將棒顯著加熱到1200到1245攝氏度之間。

他們發(fā)現(xiàn)，以特定速度（每小時2.5毫米）并通過特定溫度（1235攝氏度）拉制棒會產(chǎn)生陡峭的熱梯度，從而引發(fā)打印材料的細粒度微觀結構的轉變。

Cordero解釋說：“這種材料最初是帶有缺陷的小顆粒，稱為位錯，就像一根被破壞的意大利面條。當你加熱這種材料時，這些缺陷會消失并重新配置，并且晶粒能夠生長。我們通過消耗有缺陷的材料和更小的晶粒來不斷地拉長晶粒，該過程稱為再結晶�！�

△渦輪發(fā)動機及空心葉片結構圖

研究結果
冷卻熱處理棒后，研究人員使用光學和電子顯微鏡檢查了它們的微觀結構，發(fā)現(xiàn)打印材料的微觀晶粒被“柱狀”晶�；虮仍�始晶粒大得多的長晶體狀區(qū)域所取代。

主要作者Dominic Peachey說：“我們已經(jīng)徹底改變了它的結構。我們可以表明通過將晶粒尺寸增加幾個數(shù)量級，形成大量的柱狀晶粒，理論上這應該會導致蠕變性能的顯著改善�！�

該團隊還表明，他們可以控制棒材樣品的拉制速度和溫度，以調整材料的生長晶粒，從而創(chuàng)建特定晶粒尺寸和方向的區(qū)域。Cordero說：“這種控制水平可以使制造商打印出具有特定位置微觀結構的渦輪葉片，同時，這些微觀結構能夠適應特定的運行條件�！�

Cordero計劃在更接近渦輪葉片的3D打印幾何形狀上測試熱處理。該團隊還在探索加快拉伸速度的方法，以及測試熱處理結構的抗蠕變性。然后，通過他們的熱處理方式實現(xiàn)3D打印的實際應用，以生產(chǎn)具有更復雜形狀和圖案的工業(yè)級渦輪葉片。

該團隊表示，該項研究得到了美國海軍研究辦公室的部分支持。