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，使材料在极端高温环境下更坚固、更有弹性。这项技术将使3D打印高性能的叶片和叶片成为可能，用于发电燃气轮机和喷气发动机，这将使新的设计能够提高燃料消耗和能源效率。

如今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，熔化的金属被倒入复杂的模具中，然后定向凝固。这些部件是由地球上一些最耐热的金属合金制成的，因为它们被设计成在极热的气体中高速旋转，为发电厂发电和喷气发动机提供推力。

通过3d打印制造涡轮叶片的兴趣越来越大，除了环保和成本效益外，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3d打印涡轮叶片的努力还需要克服一个很大的障碍:蠕变。

在冶金学中，蠕变指的是金属在面对持续的机械应力和高温时永久变形的倾向。当研究人员探索打印涡轮叶片时，他们发现打印过程会产生几十到几百微米大小的细颗粒——这种微结构特别容易发生蠕变。

麻省理工学院航空航天波音职业发展教授扎卡里·科德罗说:“在实践中，这将意味着燃气轮机将有更短的寿命或更低的燃料效率。”“这些都是代价高昂、不受欢迎的结果。”

Cordero和他的同事们发现了一种改善3d打印合金结构的方法，即增加一个额外的热处理步骤，将打印材料的细小晶粒转变为更大的“柱状”晶粒——一种更坚固的微结构，可以最小化材料的蠕变潜力，因为“柱状”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。

Cordero说:“在不久的将来，我们预计燃气轮机制造商将在大规模的增材制造工厂打印他们的叶片和叶片，然后使用我们的热处理进行后处理。”“3d打印将使新的冷却结构成为可能，可以提高涡轮机的热效率，从而在燃烧更少燃料的同时产生相同的功率，最终排放更少的二氧化碳。”

Cordero研究的共同作者是麻省理工学院的Dominic Peachey, Christopher Carter和Andres Garcia-Jimenez，伊利诺伊大学香槟分校的Anugrahaprada Mukundan和Marie-Agathe Charpagne，以及橡树岭国家实验室的Donovan Leonard。

触发转换

该团队的新方法是定向再结晶的一种形式——一种以精确控制的速度使材料通过热区的热处理，使材料的许多微观颗粒融合成更大、更坚固、更均匀的晶体。

定向再结晶技术发明于80多年前，已应用于锻造材料。在他们的新研究中，麻省理工学院的团队将定向再结晶应用于3d打印的高温合金。

该团队在3d打印的镍基高温合金上测试了这种方法。镍基高温合金是一种典型的铸造金属，用于燃气轮机。在一系列实验中，研究人员将3d打印的棒状高温合金样品放在室温水浴池中，水浴池刚好放在感应线圈的下方。他们慢慢地把每根杆子拉出水面，以不同的速度穿过线圈，将杆子急剧加热到1200摄氏度到1245摄氏度之间。

他们发现，在特定的速度(每小时2.5毫米)和特定的温度(1235摄氏度)下拉伸棒材会产生陡峭的热梯度，引发材料打印的细粒度微结构的转变。

Cordero解释说:“这种材料一开始是带有位错缺陷的小颗粒，就像被弄碎的意大利面。”“当你加热这种材料时，这些缺陷会消失并重新组合，颗粒就能生长。通过消耗有缺陷的材料和更小的晶粒，我们不断地拉长晶粒——这个过程被称为再结晶。”

蠕变了

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，发现材料打印的微观晶粒被“柱状”晶粒取代，或明显比原始晶粒大的长晶体状区域。

“我们已经完全改变了结构，”主要作者多米尼克·皮奇说。“我们展示了我们可以将晶粒尺寸增加数量级，到块状柱状晶粒，这在理论上应该会导致蠕变性能的显著改善。”

该团队还表明，他们可以操纵杆样品的拉伸速度和温度，以调整材料的生长晶粒，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具有特定位置微结构的涡轮叶片，这些微结构对特定的操作条件具有弹性。

Cordero计划在更接近涡轮叶片的3d打印几何图形上测试热处理。该团队还在探索加快拉伸速度的方法，并测试热处理结构的抗蠕变能力。然后，他们设想，热处理可以实现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。

Cordero指出:“新的叶片和叶片几何形状将使陆基燃气轮机更节能，最终也将成为航空发动机。”“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。”

这项研究部分得到了美国海军研究办公室的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。