MIT开发新型定向凝固热处理工艺，可提高金属3D打印部件的蠕变性能

时间：2024-01-17 10:27 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

2024年1月16日，来自麻省理工学院 (MIT)的研究人员开发了一种新型的热处理方法，可用于增强 3D 打印金属组件的强度。这项研究以题为“增材制造镍基高温合金的定向再结晶/Directionalrecrystallization of an additively manufactured Ni-base superalloy”的论文被发表在《增材制造》杂志上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422005875?via%3Dihub

新热处理工艺通过改变3D 打印材料的微观结构，从而能够生产具有高耐用性和耐热冲击性的组件。据报道，这一过程为喷气发动机和燃气轮机的 3D 打印高性能叶片和轮叶开辟了新的可能性，从而实现了减少燃料消耗并提高能源效率的新颖设计。

据悉，增材制造用N738LC高温合金经过热处理后，合金组织内粗大的柱状晶取代了原始打印材料的细晶粒内部结构。现有的后处理手段，例如热等静压 (HIP)，也可用于生成具有更大晶粒和致密的强化金属结构。然而，研究人员声称经HIP处理的合金仍然会在持续的机械应力和高温环境下变形，也称为蠕变。通过麻省理工学院团队新颖的后加工处理后，合金材料的蠕变趋势得以最小化。

麻省理工学院航空航天工程学的波音职业发展教授扎卡里·科德罗（ZacharyCordero）说道：“在不久的将来，我们设想燃气轮机制造商将在大型增材制造工厂打印他们的叶片和轮叶，然后使用我们的热处理对它们进行后处理。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。”

△MIT金属3D打印组件后处理测试阶段。照片来自 Dominic David Pechy/麻省理工学院

抗蠕变热处理

研究团队所开发的新热处理技术是定向再结晶的一种形式。这种热处理技术使材料（在本例中为激光粉末床熔融 3D 打印 IN738LC 棒）以受控速度通过感应线圈，将材料的微观晶粒融合成更大、更强、更均匀的晶体结构。

在测试过程中，每根棒都从水浴中缓慢拉出，并以不同的速度穿过线圈，在此过程中将金属加热到1,200℃ 至 1,245℃ 之间。每个样品均以 1 毫米/小时至 100 毫米/小时的速率通过“热区”。

研究人员最终发现，在 1,235℃ 的温度下以 2.5 毫米/小时的速度拉制棒会产生陡峭的热梯度，从而引发 3D 打印材料微观结构的最佳转变。

加热过程结束后，研究小组使用光学和电子显微镜检查了微观结构。这些观察结果证实，3D打印金属部件表面的微观结构具有柱状晶，其抗蠕变性能大大提高。

Cordero 补充道：“这种材料的原始组织内最初充斥着一种被称为位错的缺陷，，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，导致晶粒长大。我们通过不断减少这种缺陷，促进较小的晶粒长大，这一过程称为再结晶。”

此外，研究人员还发现可以通过改变棒样品的拉制速度和温度来实现特定的晶粒尺寸和取向。这种控制水平非常适合希望 3D 打印具有特定结构特性的金属部件的工业制造商。

事实上，研究人员认为，这一过程将使制造商能够制造新的、优化的叶片和轮叶几何形状，以实现更节能的陆基燃气轮机和喷气发动机。

△麻省理工学院的测试设置。图片来自麻省理工学院。

金属 3D 打印的后处理

激光粉末床熔融3D打印是应用最广泛的金属3D打印工艺之一，可以生产金属部件中具有孔隙和匙孔的金属部件。这些结构特征削弱了3D打印金属部件的强度。

HIP 后处理通常用于消除这些缺陷。该工艺与麻省理工学院团队的工艺不同，对3D打印金属部件施加了高达2000℃的高温和高达200MPa的等静压。HIP 减少了材料内部结构的孔隙率，提高了该过程中零件的物理性能。

2019年，德国3D打印服务提供商FIT增材制造集团（FIT AG）从瑞典高压技术专家Quintus Technologies收购了一套HIP系统。该系统被用来确保公司的3D 打印金属零件在后处理后通过质量保证测试。

FIT AG 首席执行官 CarlFruth 评论道：“五年来，我们对 250 个国际工业客户的要求进行了评估，HIP 解决了许多质量问题。增材制造和高温高压后处理相结合所取得的成果非常令人鼓舞。毫无疑问，我们的客户将从这种伙伴关系中受益匪浅。”

后处理也经常用于改善 3D 打印金属零件的表面光洁度。在其他地方，总部位于佛蒙特州的金属增材制造公司A3DM Technologies和西班牙先进技术公司GPA Innova合作推进增材制造金属零件的后处理。根据这份合作研究协议，两家公司为 GPA Innova 的“DryLyte”干式电抛光工艺开发了优化的工艺参数，该工艺适用于3D 打印金属样件。

(责任编辑：admin)

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