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麻省理工学院开发的一种新热处理改变了 3D 打印金属的微观结构，使材料更坚固，更能抵抗极端热条件。该技术可以实现燃气轮机和喷气发动机发电的高性能叶片的 3D 打印，从而使新设计能够降低燃料消耗和能源效率。
今天的燃气轮机叶片是使用传统的铸造工艺制造的，其中将熔融金属倒入复杂的形状并定向凝固。这些部件由地球上一些最耐热的金属合金制成，因为它们被设计成在极热的气体中高速旋转，提取功以在发电厂发电并为喷气发动机提供推力。
人们对使用 3D 打印生产涡轮叶片的兴趣越来越大，除了环境和经济效益外，制造商还可以快速生产具有更复杂和更节能的几何形状的叶片。但是 3D 打印涡轮叶片的努力尚未克服一大障碍：蠕变。
在冶金学中，蠕变被理解为金属在恒定的机械应力和高温下发生不可逆变形的趋势。在研究人员探索打印涡轮叶片的可能性时，他们发现打印过程会产生尺寸从几十到几百微米不等的细晶粒——一种特别容易蠕变的微观结构。
“实际上，这意味着燃气轮机的寿命将更短或更不经济，”麻省理工学院航空航天系波音教授 Zachary Cordero 说。“这些都是代价高昂的坏结果。”
Cordero 及其同事找到了一种改善 3D 打印合金结构的方法，方法是添加一个额外的热处理步骤，将打印材料的细晶粒转变为更大的“柱状”晶粒——一种更坚固的微观结构，可最大限度地降低材料的蠕变潜力。材料，因为“支柱”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方法为燃气轮机叶片的工业 3D 打印铺平了道路。
“在不久的将来，我们希望燃气轮机制造商能够在大型增材制造工厂中打印他们的叶片，然后使用我们的热处理对其进行后处理，”Cordero 说。“3D 打印将实现新的冷却架构，可以提高涡轮机的热效率，使它们能够产生相同的功率，同时燃烧更少的燃料并最终排放更少的二氧化碳。”
Cordero 的研究由麻省理工学院的主要作者 Dominic Pichi、Christopher Carter 和 Andres Garcia-Jiménez、伊利诺伊大学香槟分校的 Anugrahapradha Mukundan 和 Marie-Agatha Sharpan 以及 Oak 的 Donovan Leonard 共同撰写里奇国家实验室。
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率移动通过热区的热处理，将材料的许多微观晶粒融合成更大、更强、更均匀的晶体。
定向再结晶是 80 多年前发明的，并应用于可变形材料。在他们的新研究中，麻省理工学院的一个团队将定向再结晶应用于 3D 打印超级合金。
该团队在 3D 打印的镍基超级合金上测试了这种方法，这些合金通常用于燃气轮机铸造和使用。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在感应线圈正下方的室温水浴中。他们慢慢地将每根鱼竿从水中拉出，并以不同的速度通过线圈，将鱼竿的温度显着加热到 1200 至 1245 摄氏度。
他们发现，以一定的速度（每小时 2.5 毫米）和一定的温度（1235 摄氏度）拉动杆会产生陡峭的温度梯度，从而触发打印介质细粒度微结构的转变。
“这种材料最初是带有位错缺陷的小颗粒，就像破碎的意大利面条一样，”Cordero 解释道。“当你加热材料时，这些缺陷会消失并重建，晶粒会长大。通过吸收有缺陷的材料和更小的晶粒来形成晶粒——这一过程称为再结晶。”
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，发现材料的压印微观晶粒被“柱状”晶粒或比原来大得多的长晶体状区域所取代谷物。.
“我们完全重组了，”主要作者 Dominic Peach 说。“我们表明，我们可以将晶粒尺寸增加几个数量级以形成大量柱状晶粒，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速和温度，以微调材料的生长晶粒，从而形成具有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，这些微结构可以根据特定的操作条件进行定制。
Cordero 计划测试靠近涡轮叶片的 3D 打印部件的热处理。该团队还在研究提高抗拉强度以及测试热处理结构的抗蠕变性的方法。然后他们推测热处理可以使 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。
“新的叶片和叶片几何形状将使陆基燃气轮机并最终使飞机发动机更加节能，”Cordero 说。“从基线的角度来看，这可以通过提高这些设备的效率来减少二氧化碳排放。”
发布时间：Nov-15-2022
