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麻省理工学院(MIT)研究人员开发出一种新热处理方法，改变了金属3D打印的微观结构，使金属3D打印材料在极端热环境下更坚固、更有弹性。
该金属3D打印技术使增材制造用于发电燃气轮机和喷气发动机的高性能叶片成为可能，实现改进燃料消耗和能源效率的新设计。
燃气轮机叶片多数通过传统的铸造工艺制造，在这种工艺中，熔融金属被倒入复杂的模具中并定向凝固。材料由一些最耐热的金属合金制成，金属合金在高温气体中高速旋转，通过动能为发电燃气轮机发电或为喷气发动机提供推力。
MIT表示，人们对使用增材制造技术制造涡轮叶片的兴趣越来越大，其可使制造商快速生产更复杂、更节能的叶片。但增材制造涡轮叶片尚未清除的一大障碍是蠕变。
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趋势。MIT研究人员探索金属3D打印涡轮叶片的过程中，发现金属3D打印会产生大小为数十至数百微米的细晶粒，这是一种特别容易发生蠕变的微观结构。
MIT航空航天波音职业发展教授Zachary Cordero表示：“在实践中，这意味着燃气轮机的寿命会更短或燃油效率会更低。”
通过研究，Cordero及其团队找到了一种改进金属3D打印合金结构的方法，即增加一个额外的增材制造热处理步骤，以最大限度减少金属3D打印材料的蠕变潜力。该方法为燃气轮机叶片的工业增材制造扫清了障碍。
Cordero表示：“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金属3D打印其叶片，使用我们的热处理进行后处理。金属3D打印将实现新的冷却架构，提高涡轮机热效率，使其产生相同功率，同时燃烧更少燃料，最终减少排放二氧化碳。”
该团队的金属3D打印新方法是定向再结晶的一种形式，一种使金属3D打印材料以精确控制的速度通过热区的热处理，将金属3D打印材料的许多微观晶粒融合成更大、更坚固、更均匀的晶体。
定向再结晶技术发明于80多年前，并已应用于锻造材料。在MIT团队的新研究中，将该方法应用于增材制造的高温合金材料。
该团队在常规铸造和用于燃气轮机的金属3D打印镍基高温合金上测试了该方法。在一系列实验中，研究人员将金属3D打印的棒状高温合金样品放置于感应线圈正下方的室温水浴中。将每根金属3D打印的棒状高温合金样品慢慢从水中拉出，并以不同的速度通过线圈，温度急剧加热至1200到 1245摄氏度之间。
Cordero解释道：“这种金属3D打印材料最初是带有缺陷的小晶粒，称为位错。当加热该金属3D打印材料时，这些缺陷会消失并重新配置，晶粒能够再生长。通过消耗有缺陷的金属3D打印材料和更小的晶粒来不断拉长晶体，该过程称为再结晶。”
冷却热处理后，研究人员使用光学和电子显微镜检查微观结构，发现金属3D打印材料的微观晶粒被柱状晶粒或明显大于原始晶粒的长晶体状区域所取代。
该研究的主要成员Dominic Peachey表示：“我们彻底改变了结构，通过将晶粒尺寸提高几个数量级，形成大量的柱状晶粒，导致金属3D打印的蠕变性能显著改善。”
Cordero表示，这种对微观结构的控制水平可以使制造商增材制造具有特定位置微结构的金属3D打印涡轮叶片。
该研究未来计划在更接近涡轮叶片的金属3D打印几何体上测试热处理，并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。
Cordero补充道：“新的叶片金属3D打印几何形状将使陆基燃气轮机及最终的航空发动机更为节能，通过提高这些设备的效率以降低二氧化碳排放量。”
这项研究得到了美国海军研究办公室的部分支持。
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