【新唐人北京時間2022年11月28日訊】美國麻省理工學院（MIT）開發的一種新的熱處理再結晶方法，克服了3D打印金屬容易使微觀結構蠕變的問題，使得該材料在極熱環境中變得更堅固、更有彈性，讓3D打印出來的葉片未來能運用到噴氣發動機或燃氣輪機上。
由於現在3D列印越來越發達，3D打印的東西也越來越多。人們透過3D打印製造渦輪葉片的興趣也在增加，因為該技術具有環境和成本上的優勢，還可以透過該技術製作出更加複雜的幾何葉片。
美國麻省理工學院（MIT）開發的一種新的熱處理再結晶方法，改變3D打印金屬過往容易蠕變的微觀結構。圖為法國Charleville-Mezieres公司展示複雜3D打印金屬部件。（Francois Nascimbeni / AFP）
這一研究成果論文發表在11月中旬的《科學指導》（ScienceDirect）期刊上。
論文中提到，研究人員先是透過過激光粉末床熔化3D打印出的棒狀鎳基高溫合金（AM IN738LC）樣品，並使用低分辨率光學和電子顯微鏡（SEM）確認打印出的材料完全緻密，孔隙很少，整個橫截面區域沒有裂開的缺陷，形體結構完整。
3D打印的材料因報廢率低和交貨時間短，降低了製造成本，但它卻有個致命的缺點，就是在高溫時會產生蠕變。蠕變是指金屬在持續的機械應力和高溫下發生永久變形，從而降低了金屬產品的性能。
為解決蠕變問題，研究人員在實驗中將3D打印的棒狀鎳基高溫合金（AM IN738LC）樣品放置在感應線圈正下方的水槽中（25°C），並慢慢地將每根鎳基高溫合金從水中拉出，以不同的速度穿過線圈，將金屬的表面溫度加熱到1,200°C～1,245°C之間。
測試中，每個樣品都以1mm/hr到100mm/hr不等的拉伸速率通過加熱區。實驗包括一系列在1,235°C的固定溫度中以可變拉伸速率，1、2.5、5、10、22、50和100mm/hr，通過加熱區觀察其變化。另外還用1,220°C、1,235°C和1,245°C的溫度系列以22mm/hr速度通過。
結果顯示，鎳基高溫合金的晶粒在溫度達到1,225°C以上時出現快速生長，而在1,220°C時僅發生部分再結晶。另外，金屬在1,245°C時觀察到熔化和共晶凝固的跡象，而樣品在1,235°C則出現完全重新結晶的現象。
他們還發現鎳基高溫合金在1,235°C特定溫度，以特定速度2.5mm/hr拉製出來的材料產生的熱梯度（指溫度在特定的區域環境內最迅速的變化方向）最高，導致打印材料的細晶微觀發生結構性的轉變，且轉變後的金屬結晶也最大，這使金屬的結構變得更加穩定，堅固耐用，且有彈性。
當研究人員使用光學和電子顯微鏡（SEM）檢查冷卻後鎳基高溫合金的微觀結構時，發現該鎳基高溫合金（AM IN738LC）原本在3D印刷產生的微觀晶粒從原本的20µm的晶粒，變成了650µm的「粗柱狀」結晶粒。這有效解決了該合金在3D印刷成型後，在高溫時容易產生的蠕變的問題。
麻省理工學院航空航天專業波音職業發展教授扎卡裡·科德羅（Zachary Cordero）解釋道，「當你加熱這種材料時，原本結晶缺陷的地方會消失並重新配置，使晶粒能夠生長。我們就是通過不斷地消耗有缺陷的材料和更小的晶粒，使晶粒拉長，這個過程稱為再結晶。」
論文的主要作者多米尼·克皮奇（Dominic Peachey）表示，「我們已經完全改變了結構，這表明我們可以將晶粒尺寸增加幾個數量級，變成大量的柱狀晶粒，這在理論上可很大程度上解決蠕變問題。」
該團隊還在探索其它加快拉伸速度的方法，以及測試熱處理結構的抗蠕變性，希望熱處理方式可以使3D打印的實際應用變為一種可能，讓未來打印出來工業級渦輪葉片器具，可以擁有更複雜形狀和圖案，且具有抗蠕變性質。
（轉自大紀元/責任編輯：葉萍）
