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美找到解决3D打印金属容易蠕变的方法

2022年11月27日7:03 未解之谜网

    美国麻省理工学院(MIT)开发的一种新的热处理再结晶方法,改变3D打印金属过往容易蠕变的微观结构。图为法国Charleville-Mezieres公司展示复杂3D打印金属部件。(Francois Nascimbeni / AFP)

    美国麻省理工学院(MIT)开发的一种新的热处理再结晶方法,克服了3D打印金属容易使微观结构蠕变的问题,使得该材料在极热环境中变得更坚固、更有弹性,让3D打印出来的叶片未来能运用到喷气发动机或燃气轮机上。

    由于现在3D列印越来越发达,3D打印的东西也越来越多。人们透过3D打印制造涡轮叶片的兴趣也在增加,因为该技术具有环境和成本上的优势,还可以透过该技术制作出更加复杂的几何叶片。

    这一研究成果论文发表在11月中旬的《科学指导》(ScienceDirect)期刊上。

    论文中提到,研究人员先是透过过激光粉末床熔化3D打印出的棒状镍基高温合金(AM IN738LC)样品,并使用低分辨率光学和电子显微镜(SEM)确认打印出的材料完全致密,孔隙很少,整个横截面区域没有裂开的缺陷,形体结构完整。

    3D打印的材料因报废率低和交货时间短,降低了制造成本,但它却有个致命的缺点,就是在高温时会产生蠕变。蠕变是指金属在持续的机械应力和高温下发生永久变形,从而降低了金属产品的性能。

    为解决蠕变问题,研究人员在实验中将3D打印的棒状镍基高温合金(AM IN738LC)样品放置在感应线圈正下方的水槽中(25°C),并慢慢地将每根镍基高温合金从水中拉出,以不同的速度穿过线圈,将金属的表面温度加热到1,200°C~1,245°C之间。

    测试中,每个样品都以1mm/hr到100mm/hr不等的拉伸速率通过加热区。实验包括一系列在1,235°C的固定温度中以可变拉伸速率,1、2.5、5、10、22、50和100mm/hr,通过加热区观察其变化。另外还用1,220°C、1,235°C和1,245°C的温度系列以22mm/hr速度通过。

    结果显示,镍基高温合金的晶粒在温度达到1,225°C以上时出现快速生长,而在1,220°C时仅发生部分再结晶。另外,金属在1,245°C时观察到熔化和共晶凝固的迹象,而样品在1,235°C则出现完全重新结晶的现象。

    他们还发现镍基高温合金在1,235°C特定温度,以特定速度2.5mm/hr拉制出来的材料产生的热梯度(指温度在特定的区域环境内最迅速的变化方向)最高,导致打印材料的细晶微观发生结构性的转变,且转变后的金属结晶也最大,这使金属的结构变得更加稳定,坚固耐用,且有弹性。

    当研究人员使用光学和电子显微镜(SEM)检查冷却后镍基高温合金的微观结构时,发现该镍基高温合金(AM IN738LC)原本在3D印刷产生的微观晶粒从原本的20µm的晶粒,变成了650µm的“粗柱状”结晶粒。这有效解决了该合金在3D印刷成型后,在高温时容易产生的蠕变的问题。

    麻省理工学院航空航天专业波音职业发展教授扎卡里·科德罗(Zachary Cordero)解释道,“当你加热这种材料时,原本结晶缺陷的地方会消失并重新配置,使晶粒能够生长。我们就是通过不断地消耗有缺陷的材料和更小的晶粒,使晶粒拉长,这个过程称为再结晶。”

    论文的主要作者多米尼·克皮奇(Dominic Peachey)表示,“我们已经完全改变了结构,这表明我们可以将晶粒尺寸增加几个数量级,变成大量的柱状晶粒,这在理论上可很大程度上解决蠕变问题。”

    该团队还在探索其它加快拉伸速度的方法,以及测试热处理结构的抗蠕变性,希望热处理方式可以使3D打印的实际应用变为一种可能,让未来打印出来工业级涡轮叶片器具,可以拥有更复杂形状和图案,且具有抗蠕变性质。

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