麻省理工定向再结晶后处理技术，为航空高温合金3D打印带来新的可能

2023年11月20日，南极熊获悉，麻省理工学院的研究人员开发了一种创新的热处理方法，能够显著提升3D打印金属制品的强度，使其更具抗极端高温环境的能力。这一技术突破为制造高性能叶片和轮叶，用于发电燃气轮机甚至喷气发动机，提供了新的可能性。这对金属制品行业而言是一项重大突破，因为现在能够以惊人的精度进行3D打印，而无需牺牲金属零件的质量和可靠性。

△将一根3D打印超级合金细棒从水浴中拉出，并通过感应线圈，在感应线圈中将其加热到改变其微观结构的温度，从而使材料更具弹性

肉眼看不见的颗粒

燃气轮机叶片通常采用传统铸造工艺制造。制造商将熔融金属倒入复杂的模具中，使其定向凝固，然后使用各种加工工具对最终的金属部件进行精加工。这些叶片必须能够在极热的气体中高速旋转，以便在发电厂中发电并为喷气发动机提供推力。

然而，人们对通过3D打印制造涡轮叶片越来越感兴趣。这种方法具有环境和成本效益，并允许制造商生产更复杂、更节能的叶片几何形状。不幸的是，有一个很大的障碍需要克服：蠕变。

蠕变是金属在持续的机械应力和高温下永久变形的倾向。先前的研究发现，3D打印过程会产生数十至数百微米大小的细颗粒。虽然肉眼几乎看不见，但这种微观结构特别容易发生蠕变。

麻省理工学院航空航天学波音职业发展教授Zachary Cordero解释道：“实际上，这意味着燃气轮机的使用寿命会更短或燃油效率更低。”

研发新的后处理解决方案

为了解决这一问题，Cordero及其同事发现了一种通过添加新的热处理步骤来改善3D打印合金结构的方法。这种方法能够将打印材料的细晶粒转变为更大的“柱状”晶粒，这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。晶粒“柱”与最大应力轴对齐。

这项新研究的作者声称，新的热处理方法可能会彻底改变燃气轮机叶片的工业3D打印。

Cordero说：“在不久的将来，我们预计燃气轮机制造商将在大型增材制造工厂打印其叶片和轮叶，然后使用我们的热处理对其进行后处理。3D打印将实现新的冷却架构，从而提高涡轮机的热效率，从而在燃烧更少的燃料的同时产生相同数量的电力，并最终排放更少的二氧化碳。”

△定向重结晶设置。通过热区从冷却剂中取出样品。热区前面的陡峭热梯度保持了通向再结晶前沿的高位错密度

高温合金的定向再结晶

麻省理工学院团队的新方法是定向再结晶的一种形式，这是一种热处理，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。

研究人员对3D打印高温合金采用了定向再结晶，这种合金通常铸造并用于燃气轮机。他们在棒状3D打印镍基高温合金上测试了该方法，将其浸入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，并以不同的速度控制线圈，将棒急剧加热到1200至1245摄氏度之间的温度。

△该团队的研究结果发表在《增材制造》杂志上，题目为“增材制造镍基高温合金的定向再结晶”（传送门）

他们发现，以特定速度（2.5毫米/小时）和特定温度（1235摄氏度）拉动棒会产生陡峭的热梯度，从而引发材料打印的细粒微观结构的转变。

Cordero解释道:“这种材料最初是带有称为位错的缺陷的小颗粒，就像破碎的意大利面条。当你加热这种材料时，这些缺陷会消失并重新配置，晶粒会生长。我们通过消耗有缺陷的材料和较小的晶粒来不断拉长晶粒，这一过程称为再结晶。

最终，使用光学和电子显微镜对经过热处理的棒进行了检查，结果证实3D打印金属部件表面的微观晶粒被放置在“柱状”晶粒中，从而显着改善了蠕变性能。通过控制棒样品的拉制速度和温度，打印颗粒可以达到特定的尺寸和方向。这种控制水平可能会受到涡轮机制造商的欢迎。这一进步不仅标志着材料科学的一个重要里程碑，而且为各个行业的创新开辟了新的途径。