新热处理工艺，提高金属3D打印零件极端条件的韧性和硬度

南极熊导读：金属3D打印元件在制造后通常需要经过热处理工艺。尤其是在航空航天和军工领域，对零件的性能有着非常严格的要求。它减少了制造过程中形成的内应力并改变了元件的形态。这种微观结构的改变会改变某些属性，例如韧性、硬度等。

△金属3D打印制造过程示意图

2022年11月14日，南极熊获悉，麻省理工学院开发了一种新的热处理方式可改变金属3D打印的微观结构，使材料在极端热环境中更坚固、更有弹性。该技术可以使3D打印用于发电燃气轮机和喷气发动机的高性能叶片成为可能。同时可推动新的设计技术，这意味着人们还可获得更高的能源转换效率。

△西门子使用激光粉末床熔融(L-PBF)对涡轮叶片进行维修和升级

技术背景
今天的燃气轮机叶片是通过传统的铸造工艺制造的，在这种工艺中，熔融金属被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，因为它们设计用于在极热的气体中高速旋转，动过动能为发电厂发电或为喷气发动机提供推力。

现在，人们对3D打印制造涡轮叶片的兴趣越来越大，除了其环境和成本优势外，它还可以让制造商快速生产出更复杂、更节能的叶片。但3D打印涡轮叶片一直存在一个难以逾越的大障碍：蠕变。

麻省理工学院航空航天事业波音职业发展教授Zachary Cordero说“在实践中，这意味着燃气轮机的寿命会更短或燃油效率更低。”

Cordero和他的同事找到了一种改进3D打印合金结构的方法，方法是增加一个额外的热处理步骤，将打印材料的细晶粒转化为更大的“柱状”晶粒，它是一种更坚固的微观结构，可以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，这种方法为燃气轮机叶片的工业3D打印扫清了道路。

Cordero说“在不久的将来，我们设想燃气轮机制造商，将在大型3D打印工厂打印他们的叶片，通过使用我们的热处理对其进行后处理。3D打印将启用新的冷却架构，这样做的好处是可以提高涡轮机的热效率，使其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。”

△麻省理工学院发现，通过新的热处理，3D打印金属可以承受极端条件

触发微观结构的转变
该团队的新方法是定向再结晶的一种形式，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。

定向再结晶技术发明于80多年前，并已应用于变形材料。在他们的新研究中，该团队在3D打印的镍基高温合金时使用了定向再结晶方法。研究人员将棒状高温合金的3D打印样品置于感应线圈正下方的室温水浴中。他们慢慢地将每根棒从水中拉出并以不同的速度穿过线圈，将棒显着加热到1200到1245摄氏度之间。

他们发现，以特定速度（每小时2.5毫米）并通过特定温度（1235摄氏度）拉制棒会产生陡峭的热梯度，从而引发打印材料的细粒度微观结构的转变。

Cordero解释说：“这种材料最初是带有缺陷的小颗粒，称为位错，就像一根被破坏的意大利面条。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来不断地拉长晶粒，该过程称为再结晶。”

△涡轮发动机及空心叶片结构图

研究结果
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，发现打印材料的微观晶粒被“柱状”晶粒或比原始晶粒大得多的长晶体状区域所取代。

主要作者Dominic Peachey说：“我们已经彻底改变了它的结构。我们可以表明通过将晶粒尺寸增加几个数量级，形成大量的柱状晶粒，理论上这应该会导致蠕变性能的显着改善。”

该团队还表明，他们可以控制棒材样品的拉制速度和温度，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：“这种控制水平可以使制造商打印出具有特定位置微观结构的涡轮叶片，同时，这些微观结构能够适应特定的运行条件。”

Cordero计划在更接近涡轮叶片的3D打印几何形状上测试热处理。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，通过他们的热处理方式实现3D打印的实际应用，以生产具有更复杂形状和图案的工业级涡轮叶片。

该团队表示，该项研究得到了美国海军研究办公室的部分支持。