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(qiáng)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?xì)廨啓C(jī)甚至噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),，提供了新的可能性。這對(duì)金屬制品行業(yè)而言是一項(xiàng)重大突破,，因?yàn)楝F(xiàn)在能夠以驚人的精度進(jìn)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(jí)合金細(xì)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?xì)廨啓C(jī)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(duì)最終的金屬部件進(jìn)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(dòng)機(jī)提供推力。

然而,，人們對(duì)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(gè)很大的障礙需要克服：蠕變,。

蠕變是金屬在持續(xù)的機(jī)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(huì)產(chǎn)生數(shù)十至數(shù)百微米大小的細(xì)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(shí)際上,，這意味著燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命會(huì)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?xì)晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)楦�大的“柱狀”晶��,，這是一種更堅(jiān)固的微觀結(jié)構(gòu)，可以最大限度地減少材料的蠕變,。晶�,！爸�”與最大應(yīng)力軸對(duì)齊。

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

Cordero說：“在不久的將來，我們預(yù)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)其進(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�,！�

△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(cuò)密度

高溫合金的定向再結(jié)晶

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)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(jiān)固,、更均勻的晶體。

研究人員對(duì)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?xì)廨啓C(jī),。他們?cè)诎魻?D打印鎳基高溫合金上測(cè)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(tuán)隊(duì)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(shí)）和特定溫度（1235攝氏度）拉動(dòng)棒會(huì)產(chǎn)生陡峭的熱梯度,，從而引發(fā)材料打印的細(xì)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(cuò)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(shí),，這些缺陷會(huì)消失并重新配置，晶粒會(huì)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(duì)經(jīng)過熱處理的棒進(jìn)行了檢查,，結(jié)果證實(shí)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,，打印顆粒可以達(dá)到特定的尺寸和方向,。這種控制水平可能會(huì)受到渦輪機(jī)制造商的歡迎,。這一進(jìn)步不僅標(biāo)志著材料科學(xué)的一個(gè)重要里程碑，而且為各個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新開辟了新的途徑,。