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首頁 > 資訊中心通過熱處理，青島3D打印金屬可以承受極端條件
發(fā)布時間：2022-11-16
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熱處理改變了3D打印金屬的微觀結(jié)構(gòu)，使材料在極端熱環(huán)境中更堅固、更有彈性。該技術(shù)可以使3D打印用于發(fā)電燃氣輪機和噴氣發(fā)動機的高性能葉片成為可能，這將使新設(shè)計能夠提高燃料消耗和能源效率。
今天的燃氣輪機葉片是通過傳統(tǒng)的鑄造工藝制造的，在這種工藝中，熔融金屬被倒入復(fù)雜的模具中并定向凝固。這些部件由地球上一些最耐熱的金屬合金制成，因為它們設(shè)計用于在極熱的氣體中高速旋轉(zhuǎn)，提取功以在發(fā)電廠發(fā)電并為噴氣發(fā)動機提供推力。
人們對通過3D打印制造渦輪葉片的興趣越來越大，除了其環(huán)境和成本優(yōu)勢外，它還可以讓制造商快速生產(chǎn)出更復(fù)雜、更節(jié)能的葉片幾何形狀。但3D打印渦輪葉片的努力尚未清除一個大障礙：蠕變。
在冶金學(xué)中，蠕變是指金屬在持續(xù)的機械應(yīng)力和高溫下發(fā)生永久變形的趨勢。雖然研究人員已經(jīng)探索了3D打印渦輪葉片，但他們發(fā)現(xiàn)打印過程會產(chǎn)生尺寸在幾十到幾百微米的細晶?！环N特別容易發(fā)生蠕變的微觀結(jié)構(gòu)。
“在實踐中，這意味著燃氣輪機的壽命會更短或燃油效率更低，”麻省理工學(xué)院航空航天事業(yè)波音職業(yè)發(fā)展教授 Zachary Cordero 說。 “這些都是代價高昂的不良結(jié)果?！?/span>
Cordero 和他的同事找到了一種改進3D打印合金結(jié)構(gòu)的方法，方法是增加一個額外的熱處理步驟，將打印材料的細晶粒轉(zhuǎn)化為更大的“柱狀”晶粒——一種更堅固的微觀結(jié)構(gòu)，可以最大限度地減少材料的蠕變潛力，因為“柱”與最大應(yīng)力軸對齊。研究人員表示，今天在增材制造中概述的這種方法為燃氣輪機葉片的工業(yè)3D打印掃清了道路。
“在不久的將來，我們設(shè)想燃氣輪機制造商將在大型增材制造工廠打印他們的葉片，然后使用我們的熱處理對其進行后處理，”Cordero 說。 “3D打印將啟用新的冷卻架構(gòu)，可以提高渦輪機的熱效率，使其產(chǎn)生相同數(shù)量的功率，同時燃燒更少的燃料，最終排放更少的二氧化碳?！?/span>
Cordero 的研究合著者是麻省理工學(xué)院的主要作者 Dominic Peachey、Christopher Carter 和 Andres Garcia-Jimenez、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的 Anugrahaprada Mukundan 和 Marie-Agathe Charpagne，以及橡樹嶺國家實驗室的 Donovan Leonard。
觸發(fā)轉(zhuǎn)換
該團隊的新方法是定向再結(jié)晶的一種形式——一種熱處理，使材料以精確控制的速度通過熱區(qū)，將材料的許多微觀晶粒融合成更大、更堅固、更均勻的晶體。
定向再結(jié)晶發(fā)明于 80 多年前，并已應(yīng)用于變形材料。在他們的新研究中，麻省理工學(xué)院的團隊將定向再結(jié)晶應(yīng)用于3D打印的高溫合金。
該團隊在3D打印的鎳基高溫合金上測試了該方法——這些金屬通常在燃氣輪機中鑄造和使用。在一系列實驗中，研究人員將棒狀高溫合金的3D打印樣品置于感應(yīng)線圈正下方的室溫水浴中。他們慢慢地將每根棒從水中拉出并以不同的速度穿過線圈，將棒顯著加熱到 1,200 到 1,245 攝氏度之間的溫度。
他們發(fā)現(xiàn)，以特定速度（每小時 2.5 毫米）并通過特定溫度（1,235 攝氏度）拉制棒會產(chǎn)生陡峭的熱梯度，從而引發(fā)材料印刷的細粒度微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
Cordero 解釋說：“這種材料最初是帶有缺陷的小顆粒，稱為位錯，就像一根被破壞的意大利面條?！?“當你加熱這種材料時，這些缺陷會消失并重新配置，并且晶粒能夠生長。我們通過消耗有缺陷的材料和較小的晶粒來不斷地拉長晶?！@一過程稱為再結(jié)晶?！?/span>
今天的燃氣輪機葉片是通過傳統(tǒng)的鑄造工藝制造的，在這種工藝中，熔融金屬被倒入復(fù)雜的模具中并定向凝固。這些部件由地球上一些最耐熱的金屬合金制成，因為它們設(shè)計用于在極熱的氣體中高速旋轉(zhuǎn)，提取功以在發(fā)電廠發(fā)電并為噴氣發(fā)動機提供推力。
人們對通過3D打印制造渦輪葉片的興趣越來越大，除了其環(huán)境和成本優(yōu)勢外，它還可以讓制造商快速生產(chǎn)出更復(fù)雜、更節(jié)能的葉片幾何形狀。但3D打印渦輪葉片的努力尚未清除一個大障礙：蠕變。
在冶金學(xué)中，蠕變是指金屬在持續(xù)的機械應(yīng)力和高溫下發(fā)生永久變形的趨勢。雖然研究人員已經(jīng)探索了3D打印渦輪葉片，但他們發(fā)現(xiàn)打印過程會產(chǎn)生尺寸在幾十到幾百微米的細晶?！环N特別容易發(fā)生蠕變的微觀結(jié)構(gòu)。
“在實踐中，這意味著燃氣輪機的壽命會更短或燃油效率更低，”麻省理工學(xué)院航空航天事業(yè)波音職業(yè)發(fā)展教授 Zachary Cordero 說。 “這些都是代價高昂的不良結(jié)果?！?/span>
Cordero 和他的同事找到了一種改進3D打印合金結(jié)構(gòu)的方法，方法是增加一個額外的熱處理步驟，將打印材料的細晶粒轉(zhuǎn)化為更大的“柱狀”晶粒——一種更堅固的微觀結(jié)構(gòu)，可以最大限度地減少材料的蠕變潛力，因為“柱”與最大應(yīng)力軸對齊。研究人員表示，今天在增材制造中概述的這種方法為燃氣輪機葉片的工業(yè)3D打印掃清了道路。
“在不久的將來，我們設(shè)想燃氣輪機制造商將在大型增材制造工廠打印他們的葉片，然后使用我們的熱處理對其進行后處理，”Cordero 說。 “3D打印將啟用新的冷卻架構(gòu)，可以提高渦輪機的熱效率，使其產(chǎn)生相同數(shù)量的功率，同時燃燒更少的燃料，最終排放更少的二氧化碳?！?/span>
Cordero 的研究合著者是麻省理工學(xué)院的主要作者 Dominic Peachey、Christopher Carter 和 Andres Garcia-Jimenez、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的 Anugrahaprada Mukundan 和 Marie-Agathe Charpagne，以及橡樹嶺國家實驗室的 Donovan Leonard。
觸發(fā)轉(zhuǎn)換
該團隊的新方法是定向再結(jié)晶的一種形式——一種熱處理，使材料以精確控制的速度通過熱區(qū)，將材料的許多微觀晶粒融合成更大、更堅固、更均勻的晶體。
定向再結(jié)晶發(fā)明于 80 多年前，并已應(yīng)用于變形材料。在他們的新研究中，麻省理工學(xué)院的團隊將定向再結(jié)晶應(yīng)用于3D打印的高溫合金。
該團隊在3D打印的鎳基高溫合金上測試了該方法——這些金屬通常在燃氣輪機中鑄造和使用。在一系列實驗中，研究人員將棒狀高溫合金的3D打印樣品置于感應(yīng)線圈正下方的室溫水浴中。他們慢慢地將每根棒從水中拉出并以不同的速度穿過線圈，將棒顯著加熱到 1,200 到 1,245 攝氏度之間的溫度。
他們發(fā)現(xiàn)，以特定速度（每小時 2.5 毫米）并通過特定溫度（1,235 攝氏度）拉制棒會產(chǎn)生陡峭的熱梯度，從而引發(fā)材料印刷的細粒度微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
Cordero 解釋說：“這種材料最初是帶有缺陷的小顆粒，稱為位錯，就像一根被破壞的意大利面條?！?“當你加熱這種材料時，這些缺陷會消失并重新配置，并且晶粒能夠生長。我們通過消耗有缺陷的材料和較小的晶粒來不斷地拉長晶?！@一過程稱為再結(jié)晶?！?/span>
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