麻省理工定向再結(jié)晶后處理技術(shù)，為航空高溫合金3D打印帶來新的可能

2023年11月20日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的熱處理方法，能夠顯著提升3D打印金屬制品的強度，使其更具抗極端高溫環(huán)境的能力。這一技術(shù)突破為制造高性能葉片和輪葉，用于發(fā)電燃氣輪機甚至噴氣發(fā)動機，提供了新的可能性。這對金屬制品行業(yè)而言是一項重大突破，因為現(xiàn)在能夠以驚人的精度進行3D打印，而無需犧牲金屬零件的質(zhì)量和可靠性。

△將一根3D打印超級合金細棒從水浴中拉出，并通過感應(yīng)線圈，在感應(yīng)線圈中將其加熱到改變其微觀結(jié)構(gòu)的溫度，從而使材料更具彈性

肉眼看不見的顆粒

燃氣輪機葉片通常采用傳統(tǒng)鑄造工藝制造。制造商將熔融金屬倒入復(fù)雜的模具中，使其定向凝固，然后使用各種加工工具對最終的金屬部件進行精加工。這些葉片必須能夠在極熱的氣體中高速旋轉(zhuǎn)，以便在發(fā)電廠中發(fā)電并為噴氣發(fā)動機提供推力。

然而，人們對通過3D打印制造渦輪葉片越來越感興趣。這種方法具有環(huán)境和成本效益，并允許制造商生產(chǎn)更復(fù)雜、更節(jié)能的葉片幾何形狀。不幸的是，有一個很大的障礙需要克服：蠕變。

蠕變是金屬在持續(xù)的機械應(yīng)力和高溫下永久變形的傾向。先前的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印過程會產(chǎn)生數(shù)十至數(shù)百微米大小的細顆粒。雖然肉眼幾乎看不見，但這種微觀結(jié)構(gòu)特別容易發(fā)生蠕變。

麻省理工學(xué)院航空航天學(xué)波音職業(yè)發(fā)展教授Zachary Cordero解釋道：“實際上，這意味著燃氣輪機的使用壽命會更短或燃油效率更低。”

研發(fā)新的后處理解決方案

為了解決這一問題，Cordero及其同事發(fā)現(xiàn)了一種通過添加新的熱處理步驟來改善3D打印合金結(jié)構(gòu)的方法。這種方法能夠?qū)⒋蛴〔牧系募毦Я＾D(zhuǎn)變?yōu)楦蟮摹爸鶢睢本Я?，這是一種更堅固的微觀結(jié)構(gòu)，可以最大限度地減少材料的蠕變。晶?！爸迸c最大應(yīng)力軸對齊。

這項新研究的作者聲稱，新的熱處理方法可能會徹底改變?nèi)細廨啓C葉片的工業(yè)3D打印。

Cordero說：“在不久的將來，我們預(yù)計燃氣輪機制造商將在大型增材制造工廠打印其葉片和輪葉，然后使用我們的熱處理對其進行后處理。3D打印將實現(xiàn)新的冷卻架構(gòu)，從而提高渦輪機的熱效率，從而在燃燒更少的燃料的同時產(chǎn)生相同數(shù)量的電力，并最終排放更少的二氧化碳?！?br />

△定向重結(jié)晶設(shè)置。通過熱區(qū)從冷卻劑中取出樣品。熱區(qū)前面的陡峭熱梯度保持了通向再結(jié)晶前沿的高位錯密度

高溫合金的定向再結(jié)晶

麻省理工學(xué)院團隊的新方法是定向再結(jié)晶的一種形式，這是一種熱處理，使材料以精確控制的速度通過熱區(qū)，將材料的許多微觀晶粒融合成更大、更堅固、更均勻的晶體。

研究人員對3D打印高溫合金采用了定向再結(jié)晶，這種合金通常鑄造并用于燃氣輪機。他們在棒狀3D打印鎳基高溫合金上測試了該方法，將其浸入感應(yīng)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，并以不同的速度控制線圈，將棒急劇加熱到1200至1245攝氏度之間的溫度。

△該團隊的研究結(jié)果發(fā)表在《增材制造》雜志上，題目為“增材制造鎳基高溫合金的定向再結(jié)晶”（傳送門）

他們發(fā)現(xiàn)，以特定速度（2.5毫米/小時）和特定溫度（1235攝氏度）拉動棒會產(chǎn)生陡峭的熱梯度，從而引發(fā)材料打印的細粒微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

Cordero解釋道:“這種材料最初是帶有稱為位錯的缺陷的小顆粒，就像破碎的意大利面條。當(dāng)你加熱這種材料時，這些缺陷會消失并重新配置，晶粒會生長。我們通過消耗有缺陷的材料和較小的晶粒來不斷拉長晶粒，這一過程稱為再結(jié)晶。

最終，使用光學(xué)和電子顯微鏡對經(jīng)過熱處理的棒進行了檢查，結(jié)果證實3D打印金屬部件表面的微觀晶粒被放置在“柱狀”晶粒中，從而顯著改善了蠕變性能。通過控制棒樣品的拉制速度和溫度，打印顆?？梢赃_到特定的尺寸和方向。這種控制水平可能會受到渦輪機制造商的歡迎。這一進步不僅標(biāo)志著材料科學(xué)的一個重要里程碑，而且為各個行業(yè)的創(chuàng)新開辟了新的途徑。