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首页 > 资讯中心通过热处理(lǐ)，青岛3D打印金属可(kě)以承受极端条件
发布时间：2022-11-16
浏览人次：479次
热处理(lǐ)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(yǒu)弹性。该技术可(kě)以使3D打印用(yòng)于发電(diàn)燃气轮机和喷气发动机的高性能(néng)叶片成為(wèi)可(kě)能(néng)，这将使新(xīn)设计能(néng)够提高燃料消耗和能(néng)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，因為(wèi)它们设计用(yòng)于在极热的气體(tǐ)中高速旋转，提取功以在发電(diàn)厂发電(diàn)并為(wèi)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(kě)以让制造商(shāng)快速生产出更复杂、更节能(néng)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。
在冶金學(xué)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(tā)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(lǐ)工學(xué)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(tā)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(lǐ)步骤，将打印材料的细晶粒转化為(wèi)更大的“柱状”晶粒——一种更坚固的微观结构，可(kě)以最大限度地减少材料的蠕变潜力，因為(wèi)“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為(wèi)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(shāng)将在大型增材制造工厂打印他(tā)们的叶片，然后使用(yòng)我们的热处理(lǐ)对其进行后处理(lǐ)，”Cordero 说。 “3D打印将启用(yòng)新(xīn)的冷却架构，可(kě)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(lǐ)工學(xué)院的主要作者 Dominic Peachey、Christopher Carter 和 Andres Garcia-Jimenez、伊利诺伊大學(xué)厄巴纳-香槟分(fēn)校的 Anugrahaprada Mukundan 和 Marie-Agathe Charpagne，以及橡树岭國(guó)家实验室的 Donovan Leonard。
触发转换
该团队的新(xīn)方法是定向再结晶的一种形式——一种热处理(lǐ)，使材料以精确控制的速度通过热區(qū)，将材料的许多(duō)微观晶粒融合成更大、更坚固、更均匀的晶體(tǐ)。
定向再结晶发明于 80 多(duō)年前，并已应用(yòng)于变形材料。在他(tā)们的新(xīn)研究中，麻省理(lǐ)工學(xué)院的团队将定向再结晶应用(yòng)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(yòng)。在一系列实验中，研究人员将棒状高温合金的3D打印样品置于感应線(xiàn)圈正下方的室温水浴中。他(tā)们慢慢地将每根棒从水中拉出并以不同的速度穿过線(xiàn)圈，将棒显着加热到 1,200 到 1,245 摄氏度之间的温度。
他(tā)们发现，以特定速度（每小(xiǎo)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(yǒu)缺陷的小(xiǎo)颗粒，称為(wèi)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(xīn)配置，并且晶粒能(néng)够生長(cháng)。我们通过消耗有(yǒu)缺陷的材料和较小(xiǎo)的晶粒来不断地拉長(cháng)晶粒——这一过程称為(wèi)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，因為(wèi)它们设计用(yòng)于在极热的气體(tǐ)中高速旋转，提取功以在发電(diàn)厂发電(diàn)并為(wèi)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(kě)以让制造商(shāng)快速生产出更复杂、更节能(néng)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。
在冶金學(xué)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(tā)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(lǐ)工學(xué)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(tā)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(lǐ)步骤，将打印材料的细晶粒转化為(wèi)更大的“柱状”晶粒——一种更坚固的微观结构，可(kě)以最大限度地减少材料的蠕变潜力，因為(wèi)“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為(wèi)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(shāng)将在大型增材制造工厂打印他(tā)们的叶片，然后使用(yòng)我们的热处理(lǐ)对其进行后处理(lǐ)，”Cordero 说。 “3D打印将启用(yòng)新(xīn)的冷却架构，可(kě)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(lǐ)工學(xué)院的主要作者 Dominic Peachey、Christopher Carter 和 Andres Garcia-Jimenez、伊利诺伊大學(xué)厄巴纳-香槟分(fēn)校的 Anugrahaprada Mukundan 和 Marie-Agathe Charpagne，以及橡树岭國(guó)家实验室的 Donovan Leonard。
触发转换
该团队的新(xīn)方法是定向再结晶的一种形式——一种热处理(lǐ)，使材料以精确控制的速度通过热區(qū)，将材料的许多(duō)微观晶粒融合成更大、更坚固、更均匀的晶體(tǐ)。
定向再结晶发明于 80 多(duō)年前，并已应用(yòng)于变形材料。在他(tā)们的新(xīn)研究中，麻省理(lǐ)工學(xué)院的团队将定向再结晶应用(yòng)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(yòng)。在一系列实验中，研究人员将棒状高温合金的3D打印样品置于感应線(xiàn)圈正下方的室温水浴中。他(tā)们慢慢地将每根棒从水中拉出并以不同的速度穿过線(xiàn)圈，将棒显着加热到 1,200 到 1,245 摄氏度之间的温度。
他(tā)们发现，以特定速度（每小(xiǎo)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(yǒu)缺陷的小(xiǎo)颗粒，称為(wèi)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(xīn)配置，并且晶粒能(néng)够生長(cháng)。我们通过消耗有(yǒu)缺陷的材料和较小(xiǎo)的晶粒来不断地拉長(cháng)晶粒——这一过程称為(wèi)再结晶。”