MIT開發(fā)新型定向凝固熱處理工藝，可提高金屬 3D 打印部件的蠕變性能

2024年1月16日，南極熊獲悉，來自麻省理工學(xué)院 (MIT)的研究人員開發(fā)了一種新型的熱處理方法，可用于增強(qiáng) 3D 打印金屬組件的強(qiáng)度。

這項(xiàng)研究以題為“增材制造鎳基高溫合金的定向再結(jié)晶/Directionalrecrystallization of an additively manufactured Ni-base superalloy”的論文被發(fā)表在《增材制造》雜志上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422005875?via%3Dihub

新熱處理工藝通過改變3D 打印材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而能夠生產(chǎn)具有高耐用性和耐熱沖擊性的組件。據(jù)報(bào)道，這一過程為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的 3D 打印高性能葉片和輪葉開辟了新的可能性，從而實(shí)現(xiàn)了減少燃料消耗并提高能源效率的新穎設(shè)計(jì)。  

據(jù)悉，增材制造用N738LC高溫合金經(jīng)過熱處理后，合金組織內(nèi)粗大的柱狀晶取代了原始打印材料的細(xì)晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的后處理手段，例如熱等靜壓 (HIP)，也可用于生成具有更大晶粒和致密的強(qiáng)化金屬結(jié)構(gòu)。然而，研究人員聲稱經(jīng)HIP處理的合金仍然會(huì)在持續(xù)的機(jī)械應(yīng)力和高溫環(huán)境下變形，也稱為蠕變。通過麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)新穎的后加工處理后，合金材料的蠕變趨勢(shì)得以最小化。

麻省理工學(xué)院航空航天工程學(xué)的波音職業(yè)發(fā)展教授扎卡里·科德羅（ZacharyCordero）說道：“在不久的將來，我們?cè)O(shè)想燃?xì)廨啓C(jī)制造商將在大型增材制造工廠打印他們的葉片和輪葉，然后使用我們的熱處理對(duì)它們進(jìn)行后處理。3D 打印將實(shí)現(xiàn)新的冷卻架構(gòu)，從而提高渦輪機(jī)的熱效率，從而在燃燒更少的燃料的同時(shí)產(chǎn)生相同數(shù)量的電力，并最終排放更少的二氧化碳?！?/div>

△MIT金屬3D打印組件后處理測(cè)試階段。 照片來自 Dominic David Pechy/麻省理工學(xué)院

抗蠕變熱處理

研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的新熱處理技術(shù)是定向再結(jié)晶的一種形式。這種熱處理技術(shù)使材料（在本例中為激光粉末床熔融 3D 打印 IN738LC 棒）以受控速度通過感應(yīng)線圈，將材料的微觀晶粒融合成更大、更強(qiáng)、更均勻的晶體結(jié)構(gòu)。

在測(cè)試過程中，每根棒都從水浴中緩慢拉出，并以不同的速度穿過線圈，在此過程中將金屬加熱到1,200℃ 至 1,245℃ 之間。每個(gè)樣品均以 1 毫米/小時(shí)至 100 毫米/小時(shí)的速率通過“熱區(qū)”。

研究人員最終發(fā)現(xiàn)，在 1,235℃ 的溫度下以 2.5 毫米/小時(shí)的速度拉制棒會(huì)產(chǎn)生陡峭的熱梯度，從而引發(fā) 3D 打印材料微觀結(jié)構(gòu)的最佳轉(zhuǎn)變。

加熱過程結(jié)束后，研究小組使用光學(xué)和電子顯微鏡檢查了微觀結(jié)構(gòu)。這些觀察結(jié)果證實(shí)，3D打印金屬部件表面的微觀結(jié)構(gòu)具有柱狀晶，其抗蠕變性能大大提高。

Cordero 補(bǔ)充道：“這種材料的原始組織內(nèi)最初充斥著一種被稱為位錯(cuò)的缺陷，，就像破碎的意大利面條。當(dāng)你加熱這種材料時(shí)，這些缺陷會(huì)消失并重新配置，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。我們通過不斷減少這種缺陷，促進(jìn)較小的晶粒長(zhǎng)大，這一過程稱為再結(jié)晶?！?/div>

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)可以通過改變棒樣品的拉制速度和溫度來實(shí)現(xiàn)特定的晶粒尺寸和取向。這種控制水平非常適合希望 3D 打印具有特定結(jié)構(gòu)特性的金屬部件的工業(yè)制造商。

事實(shí)上，研究人員認(rèn)為，這一過程將使制造商能夠制造新的、優(yōu)化的葉片和輪葉幾何形狀，以實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的陸基燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

△麻省理工學(xué)院的測(cè)試設(shè)置。圖片來自麻省理工學(xué)院。

金屬 3D 打印的后處理

激光粉末床熔融3D打印是應(yīng)用最廣泛的金屬3D打印工藝之一，可以生產(chǎn)金屬部件中具有孔隙和匙孔的金屬部件。這些結(jié)構(gòu)特征削弱了3D打印金屬部件的強(qiáng)度。

HIP 后處理通常用于消除這些缺陷。該工藝與麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的工藝不同，對(duì)3D打印金屬部件施加了高達(dá)2000℃的高溫和高達(dá)200MPa的等靜壓。HIP 減少了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率，提高了該過程中零件的物理性能。

2019年，德國(guó)3D打印服務(wù)提供商FIT增材制造集團(tuán)（FIT AG）從瑞典高壓技術(shù)專家Quintus Technologies收購(gòu)了一套HIP系統(tǒng)。該系統(tǒng)被用來確保公司的3D 打印金屬零件在后處理后通過質(zhì)量保證測(cè)試。

FIT AG 首席執(zhí)行官 CarlFruth 評(píng)論道：“五年來，我們對(duì) 250 個(gè)國(guó)際工業(yè)客戶的要求進(jìn)行了評(píng)估，HIP 解決了許多質(zhì)量問題。增材制造和高溫高壓后處理相結(jié)合所取得的成果非常令人鼓舞。毫無疑問，我們的客戶將從這種伙伴關(guān)系中受益匪淺?！?/div>

后處理也經(jīng)常用于改善 3D 打印金屬零件的表面光潔度。在其他地方，總部位于佛蒙特州的金屬增材制造公司A3DM Technologies和西班牙先進(jìn)技術(shù)公司GPA Innova合作推進(jìn)增材制造金屬零件的后處理。根據(jù)這份合作研究協(xié)議，兩家公司為 GPA Innova 的“DryLyte”干式電拋光工藝開發(fā)了優(yōu)化的工藝參數(shù)，該工藝適用于3D 打印金屬樣件。