通过新的热处理3D打印金属可以承受极端条件

麻省理工学院开发的一种新的热处理方法改变了3D打印金属的微观结构，使材料在极端热环境中更坚固、更有弹性。该技术可以使3D打印用于发电的燃气轮机和喷气发动机的高性能叶片成为可能，这将实现具有改进的燃料消耗和能源效率的新设计。

今天的燃气轮机叶片是通过传统的铸造工艺制造的，在该工艺中，将熔融金属倒入复杂的模具中并定向凝固。这些部件由地球上一些最耐热的金属合金制成，因为它们被设计为在极热的气体中高速旋转，提取功以在发电厂中发电并在喷气发动机中产生推力。

人们对通过3D打印制造涡轮叶片的兴趣越来越大，这除了具有环境和成本优势外，还可以让制造商快速生产出更复杂、更节能的叶片几何形状。但是3D打印涡轮叶片的努力尚未清除一个大障碍：蠕变。

在冶金学中，蠕变是指金属在持续的机械应力和高温下发生永久变形的趋势。虽然研究人员探索了打印涡轮叶片，但他们发现打印过程会产生大小为数十至数百微米的细晶粒——一种特别容易发生蠕变的微观结构。

“在实践中，这意味着燃气轮机的寿命会缩短或燃油效率会降低，”麻省理工学院航空航天专业波音职业发展教授ZacharyCordero说。“这些都是代价高昂的、不受欢迎的结果。”

Cordero和他的同事找到了一种通过添加额外的热处理步骤来改善3D打印合金结构的方法，该步骤将打印后材料的细晶粒转化为更大的“柱状”晶粒——一种更坚固的微观结构，应该最大限度地减少材料的蠕变潜力，因为“柱”与最大应力轴对齐。研究人员表示，今天在增材制造中概述的这种方法为燃气轮机叶片的工业3D打印扫清了道路。

“在不久的将来，我们设想燃气轮机制造商将在大型增材制造厂打印他们的叶片，然后使用我们的热处理对其进行后处理，”Cordero说。“3D打印将启用新的冷却架构，可以提高涡轮机的热效率，从而产生相同数量的功率，同时燃烧更少的燃料，最终排放更少的二氧化碳。”

Cordero在这项研究中的共同作者是麻省理工学院的主要作者DominicPeachey、ChristopherCarter和AndresGarcia-Jimenez、诺伊大学香槟分校的AnugrahapradaMukundan和Marie-AgatheCharpagne，以及橡树岭国家实验室的DonovanLeonard。

触发转型

该团队的新方法是一种定向再结晶形式——一种使材料以精确控制的速度通过热区的热处理，将材料的许多微观晶粒融合成更大、更坚固、更均匀的晶体。

定向再结晶是80多年前发明的，并已应用于锻造材料。在他们的新研究中，麻省理工学院团队对3D打印超级合金进行了定向再结晶。

该团队在3D打印的镍基高温合金上测试了该方法——通常用于燃气轮机铸造和使用的金属。在一系列实验中，研究人员将3D打印的棒状超级合金样品放置在感应线圈正下方的室温水浴中。他们慢慢地将每根杆从水中拉出，并以不同的速度穿过线圈，将杆的温度急剧加热到1,200到1,245摄氏度之间。

他们发现，以特定速度(每小时2.5毫米)和特定温度(1,235摄氏度)拉制棒材会产生陡峭的热梯度，从而触发材料打印的细晶微观结构发生转变。

“这种材料最初是带有称为位错的缺陷的小颗粒，就像破损的意大利面，”Cordero解释道。“当你加热这种材料时，这些缺陷会消失并重新配置，并且晶粒能够生长。我们通过消耗有缺陷的材料和更小的晶粒不断拉长晶粒-这个过程称为再结晶。”

悄悄离开

冷却热处理棒后，研究人员使用光学和电子显微镜检查了它们的微观结构，发现材料的印刷微观晶粒被“柱状”晶粒或明显大于原始晶粒的长晶体状区域所取代。

“我们已经完全改变了结构，”主要作者DominicPeachey说。“我们表明，我们可以将晶粒尺寸增加几个数量级，变成大量的柱状晶粒，这在理论上应该会显着改善蠕变性能。”

该团队还表明，他们可以控制棒状样品的拉拔速度和温度，以调整材料的生长晶粒，从而创建特定晶粒尺寸和方向的区域。Cordero说，这种控制水平可以让制造商打印出具有特定位置微结构的涡轮叶片，这些微结构能够适应特定的操作条件。

Cordero计划在更接近涡轮叶片的3D打印几何体上测试热处理。该团队还在探索加快拉伸速度的方法，以及测试热处理结构的抗蠕变性。然后，他们设想热处理可以使3D打印的实际应用成为可能，以生产具有更复杂形状和图案的工业级涡轮叶片。

Cordero指出：“新的叶片几何形状将使陆基燃气轮机以及最终的航空发动机更加节能。”“从基线的角度来看，这可以通过提高这些设备的效率来降低二氧化碳排放量。”