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(dǎo)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(lǐng)域，對零件的性能有著非常嚴(yán)格的要求。它減少了制造過程中形成的內(nèi)應(yīng)力并改變了元件的形態(tài)。這種微觀結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)，使材料在極端熱環(huán)境中更堅(jiān)固、更有彈性。該技術(shù)可以使3D打印用于發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)的高性能葉片成為可能。同時可推動新的設(shè)計(jì)技術(shù)，這意味著人們還可獲得更高的能源轉(zhuǎn)換效率。

△西門子使用激光粉末床熔融(L-PBF)對渦輪葉片進(jìn)行維修和升級

技術(shù)背景
今天的燃?xì)廨啓C(jī)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(fù)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?yàn)樗鼈冊O(shè)計(jì)用于在極熱的氣體中高速旋轉(zhuǎn)，動過動能為發(fā)電廠發(fā)電或?yàn)閲姎獍l(fā)動機(jī)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(fù)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(xué)院航空航天事業(yè)波音職業(yè)發(fā)展教授Zachary Cordero說“在實(shí)踐中，這意味著燃?xì)廨啓C(jī)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(jìn)3D打印合金結(jié)構(gòu)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(xì)晶粒轉(zhuǎn)化為更大的“柱狀”晶粒，它是一種更堅(jiān)固的微觀結(jié)構(gòu)，可以最大限度地減少材料的蠕變潛力，因?yàn)椤爸�”與最大應(yīng)力軸對齊。研究人員表示，這種方法為燃?xì)廨啓C(jī)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(shè)想燃?xì)廨啓C(jī)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(jìn)行后處理。3D打印將啟用新的冷卻架構(gòu)，這樣做的好處是可以提高渦輪機(jī)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(xué)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(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變
該團(tuán)隊(duì)的新方法是定向再結(jié)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(jiān)固、更均勻的晶體。

定向再結(jié)晶技術(shù)發(fā)明于80多年前，并已應(yīng)用于變形材料。在他們的新研究中，該團(tuán)隊(duì)在3D打印的鎳基高溫合金時使用了定向再結(jié)晶方法。研究人員將棒狀高溫合金的3D打印樣品置于感應(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(xì)粒度微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(dāng)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(jié)晶�！�

△渦輪發(fā)動機(jī)及空心葉片結(jié)構(gòu)圖

研究結(jié)果
冷卻熱處理棒后，研究人員使用光學(xué)和電子顯微鏡檢查了它們的微觀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。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(yīng)該會導(dǎo)致蠕變性能的顯著改善�！�

該團(tuán)隊(duì)還表明，他們可以控制棒材樣品的拉制速度和溫度，以調(diào)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(jié)構(gòu)的渦輪葉片，同時，這些微觀結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)特定的運(yùn)行條件。”

Cordero計(jì)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(tuán)隊(duì)還在探索加快拉伸速度的方法，以及測試熱處理結(jié)構(gòu)的抗蠕變性。然后，通過他們的熱處理方式實(shí)現(xiàn)3D打印的實(shí)際應(yīng)用，以生產(chǎn)具有更復(fù)雜形狀和圖案的工業(yè)級渦輪葉片。

該團(tuán)隊(duì)表示，該項(xiàng)研究得到了美國海軍研究辦公室的部分支持。