<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1668483748944/1668483748944.jpg" width="808" height="539" />麻省理工學(xué)院開發(fā)的一種新的熱處理方法改變了3d打印金屬的微觀結(jié)構(gòu)，使材料在極端高溫環(huán)境下更堅(jiān)固、更有彈性。這項(xiàng)技術(shù)將使3D打印高性能的葉片和葉片成為可能，用于發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這將使新的設(shè)計(jì)能夠提高燃料消耗和能源效率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>如今的燃?xì)廨啓C(jī)葉片是通過傳統(tǒng)的鑄造工藝制造的，在這種工藝中，熔化的金屬被倒入復(fù)雜的模具中，然后定向凝固。這些部件是由地球上一些最耐熱的金屬合金制成的，因?yàn)樗鼈儽辉O(shè)計(jì)成在極熱的氣體中高速旋轉(zhuǎn)，為發(fā)電廠發(fā)電和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過3d打印制造渦輪葉片的興趣越來越大，除了環(huán)保和成本效益外，還可以讓制造商快速生產(chǎn)出更復(fù)雜、更節(jié)能的葉片幾何形狀。但3d打印渦輪葉片的努力還需要克服一個(gè)很大的障礙:蠕變。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在冶金學(xué)中，蠕變指的是金屬在面對持續(xù)的機(jī)械應(yīng)力和高溫時(shí)永久變形的傾向。當(dāng)研究人員探索打印渦輪葉片時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)打印過程會(huì)產(chǎn)生幾十到幾百微米大小的細(xì)顆粒&mdash;&mdash;這種微結(jié)構(gòu)特別容易發(fā)生蠕變。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院航空航天波音職業(yè)發(fā)展教授扎卡里&middot;科德羅說:&ldquo;在實(shí)踐中，這將意味著燃?xì)廨啓C(jī)將有更短的壽命或更低的燃料效率。&rdquo;&ldquo;這些都是代價(jià)高昂、不受歡迎的結(jié)果。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Cordero和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一種改善3d打印合金結(jié)構(gòu)的方法，即增加一個(gè)額外的熱處理步驟，將打印材料的細(xì)小晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)楦蟮?amp;ldquo;柱狀&rdquo;晶粒&mdash;&mdash;一種更堅(jiān)固的微結(jié)構(gòu)，可以最小化材料的蠕變潛力，因?yàn)?amp;ldquo;柱狀&rdquo;與最大應(yīng)力軸對齊。研究人員表示，今天在《增材制造》中概述的這種方法，為燃?xì)廨啓C(jī)葉片的工業(yè)3d打印掃清了道路。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Cordero說:&ldquo;在不久的將來，我們預(yù)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)制造商將在大規(guī)模的增材制造工廠打印他們的葉片和葉片，然后使用我們的熱處理進(jìn)行后處理。&rdquo;&ldquo;3d打印將使新的冷卻結(jié)構(gòu)成為可能，可以提高渦輪機(jī)的熱效率，從而在燃燒更少燃料的同時(shí)產(chǎn)生相同的功率，最終排放更少的二氧化碳。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Cordero研究的共同作者是麻省理工學(xué)院的Dominic Peachey, Christopher Carter和Andres Garcia-Jimenez，伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Anugrahaprada Mukundan和Marie-Agathe Charpagne，以及橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Donovan Leonard。</p> <p>&nbsp;</p> <p>觸發(fā)轉(zhuǎn)換</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)的新方法是定向再結(jié)晶的一種形式&mdash;&mdash;一種以精確控制的速度使材料通過熱區(qū)的熱處理，使材料的許多微觀顆粒融合成更大、更堅(jiān)固、更均勻的晶體。</p> <p>&nbsp;</p> <p>定向再結(jié)晶技術(shù)發(fā)明于80多年前，已應(yīng)用于鍛造材料。在他們的新研究中，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)將定向再結(jié)晶應(yīng)用于3d打印的高溫合金。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)在3d打印的鎳基高溫合金上測試了這種方法。鎳基高溫合金是一種典型的鑄造金屬，用于燃?xì)廨啓C(jī)。在一系列實(shí)驗(yàn)中，研究人員將3d打印的棒狀高溫合金樣品放在室溫水浴池中，水浴池剛好放在感應(yīng)線圈的下方。他們慢慢地把每根桿子拉出水面，以不同的速度穿過線圈，將桿子急劇加熱到1200攝氏度到1245攝氏度之間。</p> <p>他們發(fā)現(xiàn)，在特定的速度(每小時(shí)2.5毫米)和特定的溫度(1235攝氏度)下拉伸棒材會(huì)產(chǎn)生陡峭的熱梯度，引發(fā)材料打印的細(xì)粒度微結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Cordero解釋說:&ldquo;這種材料一開始是帶有位錯(cuò)缺陷的小顆粒，就像被弄碎的意大利面。&rdquo;&ldquo;當(dāng)你加熱這種材料時(shí)，這些缺陷會(huì)消失并重新組合，顆粒就能生長。通過消耗有缺陷的材料和更小的晶粒，我們不斷地拉長晶粒&mdash;&mdash;這個(gè)過程被稱為再結(jié)晶。&rdquo;</p> <p>蠕變了</p> <p>&nbsp;</p> <p>冷卻熱處理棒后，研究人員使用光學(xué)和電子顯微鏡檢查了它們的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)材料打印的微觀晶粒被&ldquo;柱狀&rdquo;晶粒取代，或明顯比原始晶粒大的長晶體狀區(qū)域。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們已經(jīng)完全改變了結(jié)構(gòu)，&rdquo;主要作者多米尼克&middot;皮奇說。&ldquo;我們展示了我們可以將晶粒尺寸增加數(shù)量級，到塊狀柱狀晶粒，這在理論上應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致蠕變性能的顯著改善。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)還表明，他們可以操縱桿樣品的拉伸速度和溫度，以調(diào)整材料的生長晶粒，創(chuàng)建特定晶粒尺寸和方向的區(qū)域。Cordero說，這種控制水平可以使制造商打印具有特定位置微結(jié)構(gòu)的渦輪葉片，這些微結(jié)構(gòu)對特定的操作條件具有彈性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Cordero計(jì)劃在更接近渦輪葉片的3d打印幾何圖形上測試熱處理。該團(tuán)隊(duì)還在探索加快拉伸速度的方法，并測試熱處理結(jié)構(gòu)的抗蠕變能力。然后，他們設(shè)想，熱處理可以實(shí)現(xiàn)3d打印的實(shí)際應(yīng)用，以生產(chǎn)具有更復(fù)雜形狀和圖案的工業(yè)級渦輪葉片。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Cordero指出:&ldquo;新的葉片和葉片幾何形狀將使陸基燃?xì)廨啓C(jī)更節(jié)能，最終也將成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)。&rdquo;&ldquo;從基線的角度來看，這可以通過提高這些設(shè)備的效率來降低二氧化碳排放。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究部分得到了美國海軍研究辦公室的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p>