美國麻省理工學院(MIT)開發的一種新的熱處理再結晶方法,克服了3D打印金屬容易使微觀結構蠕變的問題,使得該材料在極熱環境中變得更堅固、更有彈性,讓3D打印出來的葉片未來能運用到噴氣引擎或燃氣輪機上。

由於現在3D列印越來越發達,3D打印的東西也越來越多。人們透過3D打印製造渦輪葉片的興趣也在增加,因為該技術具有環境和成本上的優勢,還可以透過該技術製作出更加複雜的幾何葉片。

這一研究成果論文發表在本月中旬的《科學指導》(ScienceDirect)期刊上。

論文中提到,研究人員先是透過激光粉末床熔化3D打印出的棒狀鎳基高溫合金(AM IN738LC)樣品,並使用低分辨率光學和電子顯微鏡(SEM)確認打印出的材料完全緻密,孔隙很少,整個橫截面區域沒有裂開的缺陷,形體結構完整。

3D打印的材料因報廢率低和交貨時間短,降低了製造成本,但它卻有個致命的缺點,就是在高溫時會產生蠕變。蠕變是指金屬在持續的機械應力和高溫下發生永久變形,從而降低了金屬產品的性能。

為解決蠕變問題,研究人員在實驗中將3D打印的棒狀鎳基高溫合金(AM IN738LC)樣品放置在感應線圈正下方的水槽中(25 °C),並慢慢的將每根鎳基高溫合金從水中拉出,以不同的速度穿過線圈,將金屬的表面溫度加熱到1,200 °C~1,245 °C之間。

測試中,每個樣品都以1mm/hr到100 mm/hr不等的拉伸速率通過加熱區。實驗包括一系列在1,235 °C的固定溫度中以可變拉伸速率,1、2.5、5、10、22、50和100 mm/hr,通過加熱區觀察其變化。另外還用1,220°C、1,235 °C和1,245 °C的溫度系列以22 mm/hr速度通過。

結果顯示,鎳基高溫合金的晶粒在溫度達到1,225 °C以上時出現快速生長,而在1,220 °C時僅發生部份再結晶。另外,金屬在1,245 °C時觀察到熔化和共晶凝固的跡象,而樣品在1,235 °C則出現完全重新結晶的現象。

他們還發現鎳基高溫合金在1,235°C特定溫度,以特定速度2.5 mm /hr拉製出來的材料產生的熱梯度(指溫度在特定的區域環境內最迅速的變化方向)最高,導致打印材料的細晶微觀發生結構性的轉變,且轉變後的金屬結晶也最大,這使金屬的結構變得更加穩定,堅固耐用,且有彈性。

當研究人員使用光學和電子顯微鏡(SEM)檢查冷卻後鎳基高溫合金的微觀結構時,發現該鎳基高溫合金(AM IN738LC)原本在3D印刷產生的微觀晶粒從原本的20 µm的晶粒,變成了650 µm的「粗柱狀」結晶粒。這有效解決了該合金在3D印刷成型後,在高溫時容易產生的蠕變的問題。

麻省理工學院航太專業波音職業發展教授扎卡里·科德羅(Zachary Cordero)解釋道,「當你加熱這種材料時,原本結晶缺陷的地方會消失並重新配置,使晶粒能夠生長。我們就是通過不斷地消耗有缺陷的材料和更小的晶粒 ,使晶粒拉長,這個過程稱為再結晶。」

論文的主要作者多米尼·克皮奇(Dominic Peachey)表示,「我們已經完全改變了結構,這表明我們可以將晶粒尺寸增加幾個數量級,變成大量的柱狀晶粒,這在理論上可很大程度上解決蠕變問題。」 

該團隊還在探索其他加快拉伸速度的方法,以及測試熱處理結構的抗蠕變性,希望熱處理方式可以使3D打印的實際應用變為一種可能,讓未來打印出來工業級渦輪葉片器具,可以擁有更複雜形狀和圖案,且具有抗蠕變性質。@
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