新的热处理技术，为3D打印的涡轮叶片「获得工业应用」扫清道路

众所周知，西门子已将采用LPBF工艺3D打印的涡轮叶片用于燃气轮机，这种比传统工艺更高效、更具成本效益的零件制造方式除了具有环境和成本优势外，还可以让制造商快速生产出更复杂、更节能的叶片几何形状。

然而，3D打印特殊的熔凝过程所产生的微观结构则限制了零件在高应力环境下的使用，高温蠕变性能是高温应用下的重要性能，对零件的寿命产生极大的影响。在冶金学中，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现象。研究人员研究了涡轮叶片3D打印的工艺和组织结构，发现3D打印会产生大小为数十至数百微米的细晶粒——一种特别容易发生蠕变的微观结构。

麻省理工学院航空航天专业波音职业发展教授Zachary Cordero表示，“在实践中，这意味着燃气轮机的寿命会更短或导致燃油效率更低，这些都是代价高昂且不受欢迎的结果。”

3D打印技术参考注意到，麻省理工学院的研究人员于近期开发了一种新的热处理方法可以改变3D打印金属的微观结构，使材料在极端热环境中强度更高、更具抗蠕变性。该技术可以有望使3D打印的高性能叶片真正实现工业应用。

新的热处理方法实际上是一种定向再结晶的过程，该工艺已成熟用于锻造材料。将3D打印的零件以精确控制的速度通过热区，材料的许多微观细晶粒将生长为更大、强度更高、更均匀的柱状晶粒。

在具体的操作过程中，研究人员将棒状高温合金的3D打印样品放置在一个室温水浴中，水浴放置在感应线圈的正下方。他们以不同的速度缓慢将每根棒从水中拉出并穿过线圈，将棒加热到1200-1245℃之间的温度。研究发现，在特定速度（每小时2.5mm）和特定温度（1235℃）下处理的拉伸棒会产生陡峭的热梯度，从而引发材料微观结构的转变。

定向再结晶实验装置

研究人员表示，“材料开始时带有位错缺陷，当加热时，这些缺陷会消失并重新配置，晶粒能够生长。通过消耗有缺陷的材料和更小的晶粒来不断拉长晶粒，这一过程被称为再结晶。”本质上讲，再结晶是晶粒的选择性长大和晶界竞争迁移的结果。

零件经热处理后，研究人员使用光学和电子显微镜检查了它们的微观结构，发现材料的打印态微观晶粒生长为柱状晶或被明显大于原始晶粒的长晶体状区域所取代，这意味着材料微观结构发生了改变。新的热处理方法可以将晶粒尺寸增加几个数量级，达到大量柱状晶粒，这在理论上将显著改善蠕变性能。

材料的显微结构是影响和决定材料性能的重要因素。3D打印技术参考通过查询相关文献注意到，定向再结晶动力学实验结果表明柱状晶可以直接从无织构的小等轴晶中长大，不同的热区温度对应着不同的抽拉速率范围和最佳抽拉速率，在最佳速率定向柱状晶将获得最大的长径比。

该团队表示，他们可以控制棒状样品的拉拔速度和温度，以调整材料微观结构的改变，从而创建具有特定晶粒尺寸和方向的区域。当柱状晶的方向与零件所受的最大应力方向对齐时，材料能够最大限度的抵抗蠕变。这种控制水平可以让制造商最终获得在特定位置具有特定微结构的涡轮叶片，这些微结构能够适应特定的工作条件。

研究人员计划在更接近涡轮叶片的3D打印零件上进行测试，同时也在探索加快拉伸速度的方法，以及测试热处理结构的抗蠕变性。研究人员设想，在不久的将来，燃气轮机制造商将在大型增材制造厂打印叶片，然后使用这种新的热处理方法对其进行后处理，3D打印的具有新冷却架构的叶片可以提高涡轮机的热效率，同时燃烧更少的燃料，最终排放更少的二氧化碳。

研究人员表示，这种热处理工艺为3D打印的燃气轮机叶片获得工业应用扫清了道路。