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 3D 打印金屬組件的強度。

這項研究以題為“增材制造鎳基高溫合金的定向再結晶/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 打印材料的微觀結構,，從而能夠生產具有高耐用性和耐熱沖擊性的組件。據報道,，這一過程為噴氣發(fā)動機和燃氣輪機的 3D 打印高性能葉片和輪葉開辟了新的可能性,，從而實現了減少燃料消耗并提高能源效率的新穎設計。  

據悉,，增材制造用N738LC高溫合金經過熱處理后,，合金組織內粗大的柱狀晶取代了原始打印材料的細晶粒內部結構。現有的后處理手段,，例如熱等靜壓 (HIP)，也可用于生成具有更大晶粒和致密的強化金屬結構,。然而,，研究人員聲稱經HIP處理的合金仍然會在持續(xù)的機械應力和高溫環(huán)境下變形，也稱為蠕變。通過麻省理工學院團隊新穎的后加工處理后,，合金材料的蠕變趨勢得以最小化,。

麻省理工學院航空航天工程學的波音職業(yè)發(fā)展教授扎卡里·科德羅（ZacharyCordero）說道：“在不久的將來，我們設想燃氣輪機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它們進行后處理,。3D 打印將實現新的冷卻架構，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生相同數量的電力,，并最終排放更少的二氧化碳�,！�

△MIT金屬3D打印組件后處理測試階段,。 照片來自 Dominic David Pechy/麻省理工學院

抗蠕變熱處理

研究團隊所開發(fā)的新熱處理技術是定向再結晶的一種形式。這種熱處理技術使材料（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線圈,，將材料的微觀晶粒融合成更大,、更強、更均勻的晶體結構,。

在測試過程中,，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,。每個樣品均以 1 毫米/小時至 100 毫米/小時的速率通過“熱區(qū)”。

研究人員最終發(fā)現,，在 1,235℃ 的溫度下以 2.5 毫米/小時的速度拉制棒會產生陡峭的熱梯度,，從而引發(fā) 3D 打印材料微觀結構的最佳轉變。

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

Cordero 補充道：“這種材料的原始組織內最初充斥著一種被稱為位錯的缺陷，,，就像破碎的意大利面條,。當你加熱這種材料時，這些缺陷會消失并重新配置,，導致晶粒長大,。我們通過不斷減少這種缺陷，促進較小的晶粒長大,，這一過程稱為再結晶,�,！�

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

事實上，研究人員認為,，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，以實現更節(jié)能的陸基燃氣輪機和噴氣發(fā)動機,。

△麻省理工學院的測試設置,。圖片來自麻省理工學院。

金屬 3D 打印的后處理

激光粉末床熔融3D打印是應用最廣泛的金屬3D打印工藝之一,，可以生產金屬部件中具有孔隙和匙孔的金屬部件,。這些結構特征削弱了3D打印金屬部件的強度。

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

2019年，德國3D打印服務提供商FIT增材制造集團（FIT AG）從瑞典高壓技術專家Quintus Technologies收購了一套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量保證測試,。

FIT AG 首席執(zhí)行官 CarlFruth 評論道：“五年來，我們對 250 個國際工業(yè)客戶的要求進行了評估,，HIP 解決了許多質量問題,。增材制造和高溫高壓后處理相結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系中受益匪淺,。”

后處理也經常用于改善 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和西班牙先進技術公司GPA Innova合作推進增材制造金屬零件的后處理。根據這份合作研究協議,，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,，該工藝適用于3D 打印金屬樣件。