中子衍射或可改善渦輪葉片生產(chǎn)工藝

近日，德國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用FRM Ⅱ中子源成功對(duì)3D打印的鎳鉻合金試件進(jìn)行了殘余應(yīng)力分析，未來(lái)有望在該研究基礎(chǔ)上，改善3D打印渦輪葉片的生產(chǎn)工藝。

燃?xì)廨啓C(jī)的葉片在工作中必須承受高溫、高壓和高離心力等極端條件。為了進(jìn)一步提高效率，燃燒的溫度甚至高于葉片材料的熔點(diǎn)。因此，燃?xì)廨啓C(jī)葉片被設(shè)計(jì)成復(fù)雜的空心結(jié)構(gòu)，以便從內(nèi)部通過(guò)空氣進(jìn)行冷卻。但采用普通的制造方法，例如鑄造和銑削，無(wú)法造出具有這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的葉片。

激光增材制造（3D打?。┘夹g(shù)為這種葉片的制造提供了全新的可能性。但在制造過(guò)程中，激光產(chǎn)生的局部高溫和熔體快速冷卻會(huì)在材料中產(chǎn)生應(yīng)力。這不僅會(huì)導(dǎo)致變形，在最壞的情況下，甚至可能導(dǎo)致裂紋。因此，制造商必須通過(guò)后續(xù)復(fù)雜的熱處理步驟消除殘余應(yīng)力，而這要花費(fèi)很多時(shí)間和高昂的成本。

現(xiàn)在，德國(guó)聯(lián)邦材料研究與測(cè)試研究所與慕尼黑工業(yè)大學(xué)、西門(mén)子能源公司和波茨坦大學(xué)的研究人員一起，利用位于加興的FRM Ⅱ中子源，通過(guò)非破壞性中子衍射成功測(cè)量了3D打印的鎳基合金結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力。相關(guān)成果發(fā)表在近日的《應(yīng)用晶體學(xué)雜志》上。

在該實(shí)驗(yàn)中，西門(mén)子能源公司用生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)部件的多晶鎳超合金粉末打印出幾毫米大小的晶格結(jié)構(gòu)，并故意省去了通常的生產(chǎn)后熱處理過(guò)程。聯(lián)邦材料研究與測(cè)試研究所的研究人員通過(guò)非破壞性中子衍射，成功實(shí)現(xiàn)了中子束內(nèi)晶格結(jié)構(gòu)的正確對(duì)齊，并在結(jié)構(gòu)的代表性部分正確確定了殘余應(yīng)力場(chǎng)。

該實(shí)驗(yàn)證明了可以使用中子衍射來(lái)分析復(fù)雜構(gòu)件中的殘余應(yīng)力。下一步，團(tuán)隊(duì)希望研究如何減少這種破壞性應(yīng)力。項(xiàng)目主要參與者、聯(lián)邦材料研究與測(cè)試研究所的托比亞斯·弗瑞奇博士說(shuō)：“當(dāng)激光使超合金粉末熔化時(shí)，在局部施加的熱量越多，其產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力就越大。溫度梯度會(huì)導(dǎo)致原子晶格不規(guī)則。因此，我們必須在打印過(guò)程中盡可能均勻地分配熱量。”