美找到解决3D打印金属容易蠕变的方法

美国麻省理工学院（MIT）开发的一种新的热处理再结晶方法，改变3D打印金属过往容易蠕变的微观结构。图为法国Charleville-Mezieres公司展示复杂3D打印金属部件。（Francois Nascimbeni / AFP）

美国麻省理工学院（MIT）开发的一种新的热处理再结晶方法，克服了3D打印金属容易使微观结构蠕变的问题，使得该材料在极热环境中变得更坚固、更有弹性，让3D打印出来的叶片未来能运用到喷气发动机或燃气轮机上。

由于现在3D列印越来越发达，3D打印的东西也越来越多。人们透过3D打印制造涡轮叶片的兴趣也在增加，因为该技术具有环境和成本上的优势，还可以透过该技术制作出更加复杂的几何叶片。

这一研究成果论文发表在11月中旬的《科学指导》（ScienceDirect）期刊上。

论文中提到，研究人员先是透过过激光粉末床熔化3D打印出的棒状镍基高温合金（AM IN738LC）样品，并使用低分辨率光学和电子显微镜（SEM）确认打印出的材料完全致密，孔隙很少，整个横截面区域没有裂开的缺陷，形体结构完整。

3D打印的材料因报废率低和交货时间短，降低了制造成本，但它却有个致命的缺点，就是在高温时会产生蠕变。蠕变是指金属在持续的机械应力和高温下发生永久变形，从而降低了金属产品的性能。

为解决蠕变问题，研究人员在实验中将3D打印的棒状镍基高温合金（AM IN738LC）样品放置在感应线圈正下方的水槽中（25°C），并慢慢地将每根镍基高温合金从水中拉出，以不同的速度穿过线圈，将金属的表面温度加热到1,200°C～1,245°C之间。

测试中，每个样品都以1mm/hr到100mm/hr不等的拉伸速率通过加热区。实验包括一系列在1,235°C的固定温度中以可变拉伸速率，1、2.5、5、10、22、50和100mm/hr，通过加热区观察其变化。另外还用1,220°C、1,235°C和1,245°C的温度系列以22mm/hr速度通过。

结果显示，镍基高温合金的晶粒在温度达到1,225°C以上时出现快速生长，而在1,220°C时仅发生部分再结晶。另外，金属在1,245°C时观察到熔化和共晶凝固的迹象，而样品在1,235°C则出现完全重新结晶的现象。

他们还发现镍基高温合金在1,235°C特定温度，以特定速度2.5mm/hr拉制出来的材料产生的热梯度（指温度在特定的区域环境内最迅速的变化方向）最高，导致打印材料的细晶微观发生结构性的转变，且转变后的金属结晶也最大，这使金属的结构变得更加稳定，坚固耐用，且有弹性。

当研究人员使用光学和电子显微镜（SEM）检查冷却后镍基高温合金的微观结构时，发现该镍基高温合金（AM IN738LC）原本在3D印刷产生的微观晶粒从原本的20µm的晶粒，变成了650µm的“粗柱状”结晶粒。这有效解决了该合金在3D印刷成型后，在高温时容易产生的蠕变的问题。

麻省理工学院航空航天专业波音职业发展教授扎卡里·科德罗（Zachary Cordero）解释道，“当你加热这种材料时，原本结晶缺陷的地方会消失并重新配置，使晶粒能够生长。我们就是通过不断地消耗有缺陷的材料和更小的晶粒，使晶粒拉长，这个过程称为再结晶。”

论文的主要作者多米尼·克皮奇（Dominic Peachey）表示，“我们已经完全改变了结构，这表明我们可以将晶粒尺寸增加几个数量级，变成大量的柱状晶粒，这在理论上可很大程度上解决蠕变问题。”

该团队还在探索其它加快拉伸速度的方法，以及测试热处理结构的抗蠕变性，希望热处理方式可以使3D打印的实际应用变为一种可能，让未来打印出来工业级涡轮叶片器具，可以拥有更复杂形状和图案，且具有抗蠕变性质。