如何提高金属3D打印材料的韧性和硬度？

近期，据相关报道，麻省理工学院开发了一种新的热处理方法，可以改变金属3D打印的微观结构使材料在较热的环境中更加坚固和灵活。这种技术可以使3D打印用于发电的燃气轮机和喷气发动机的高性能叶片可以打印同时，它可以促进新的设计技术，这意味着人们也可以获得更高的能源转换效率。

技术背景

今天的燃气轮机叶片是通过传统的铸造工艺制造的。在这个过程中，熔融金属被倒入复杂的模具中并定向固化。这些部件是由地球上一些较耐热的金属合金制成的，因为它们被设计用来在较热的气体中高速旋转和移动动能，从而为发电厂发电或喷气发动机提供推力。

现在，人们对3D涡轮叶片的打印和制造越来越感兴趣。除了环境和成本优势外，它还可以使制造商快速生产更复杂、更节能的叶片。3D打印涡轮叶片一直存在着不可逾越的障碍：蠕变。

麻省理工学院航空航天事业波音职业发展教授说“事实上，这意味着燃气轮机的使用寿命较短或燃油效率较低。”

该教授和他的同事找到了一个改进3D打印合金结构的方法是增加额外的热处理步骤，将3D打印材料的细颗粒转化为更大的颗粒“柱状”，由于晶粒是一种强微观结构，可以较大限度地减少材料的蠕变潜力，因为“柱”与较大应力轴对齐。研究人员说，这种方法为燃气轮机叶片的工业3D打印机扫路。

触发微观结构的转换

团队的新方法是定向再结晶的一种形式。通过热区的热处理，材料中的许多颗粒以精确控制的速度融合成更大、更强、更均匀的晶体。定向再结晶技术发明于80多年前，已应用于变形材料。在他们的新研究中，团队在3D定向再结晶法用于打印镍基高温合金。研究人员将使用棒状高温合金3D打印样品放置在感应线圈正下方的室温水浴中。

他们发现，在特定的速度、温度下拉杆会产生陡峭的热梯度，导致印刷材料的细粒度和微观结构发生变化。

研究结果

冷却热处理棒后，研究人员使用光学和电子显微镜检查其微观结构，发现印刷材料的颗粒被印刷材料覆盖“柱状”长晶体区域取代了晶粒或比原始晶粒大得多的区域。团队表示，为了调节材料的生长晶粒，可以控制棒材样品的拉伸速度和温度，从而创造出具有特定粒径和方向的区域。

该教授计划测试热处理的3D打印几何形状，更接近涡轮叶片。该团队还在探索加速拉伸速度的方法，并测试热处理结构的抗蠕变性。然后，通过他们的热处理方法实现3D打印的实际应用是为了生产具有更复杂形状和图案的工业级涡轮叶片。