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首页 > 资讯中心通过热处理，青岛3D打印金属可以承受极端条件
发布时间：2022-11-16
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热处理改变了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打印用于发电燃气轮机和喷气发动机的高性能叶片成为可能，这将使新设计能够提高燃料消耗和能源效率。
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，提取功以在发电厂发电并为喷气发动机提供推力。
人们对通过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、更节能的叶片几何形状。但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。虽然研究人员已经探索了3D打印涡轮叶片，但他们发现打印过程会产生尺寸在几十到几百微米的细晶粒——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更短或燃油效率更低，”麻省理工学院航空航天事业波音职业发展教授 Zachary Cordero 说。 “这些都是代价高昂的不良结果。”
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——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，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工厂打印他们的叶片，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，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。”
Cordero 的研究合著者是麻省理工学院的主要作者 Dominic Peachey、Christopher Carter 和 Andres Garcia-Jimenez、伊利诺伊大学厄巴纳-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——一种热处理，使材料以精确控制的速度通过热区，将材料的许多微观晶粒融合成更大、更坚固、更均匀的晶体。
定向再结晶发明于 80 多年前，并已应用于变形材料。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该方法——这些金属通常在燃气轮机中铸造和使用。在一系列实验中，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 1,200 到 1,245 摄氏度之间的温度。
他们发现，以特定速度（每小时 2.5 毫米）并通过特定温度（1,235 摄氏度）拉制棒会产生陡峭的热梯度，从而引发材料印刷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较小的晶粒来不断地拉长晶粒——这一过程称为再结晶。”
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，提取功以在发电厂发电并为喷气发动机提供推力。
人们对通过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、更节能的叶片几何形状。但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。虽然研究人员已经探索了3D打印涡轮叶片，但他们发现打印过程会产生尺寸在几十到几百微米的细晶粒——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更短或燃油效率更低，”麻省理工学院航空航天事业波音职业发展教授 Zachary Cordero 说。 “这些都是代价高昂的不良结果。”
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——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，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工厂打印他们的叶片，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，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。”
Cordero 的研究合著者是麻省理工学院的主要作者 Dominic Peachey、Christopher Carter 和 Andres Garcia-Jimenez、伊利诺伊大学厄巴纳-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——一种热处理，使材料以精确控制的速度通过热区，将材料的许多微观晶粒融合成更大、更坚固、更均匀的晶体。
定向再结晶发明于 80 多年前，并已应用于变形材料。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该方法——这些金属通常在燃气轮机中铸造和使用。在一系列实验中，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 1,200 到 1,245 摄氏度之间的温度。
他们发现，以特定速度（每小时 2.5 毫米）并通过特定温度（1,235 摄氏度）拉制棒会产生陡峭的热梯度，从而引发材料印刷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较小的晶粒来不断地拉长晶粒——这一过程称为再结晶。”
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