鎳鉻合金試件殘余應力分析表明 中子衍射或可改善渦輪葉片生產工藝

近日，德國科學家團隊利用FRM II 中子源成功對3D打印的鎳鉻合金試件進行了殘余應力分析，未來有望在該研究基礎上，改善3D打印渦輪葉片的生產工藝。

燃氣輪機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。為了進一步提高效率，燃燒的溫度甚至高于葉片材料的熔點。因此，燃氣輪機葉片被設計成復雜的空心結構，以便從內部通過空氣進行冷卻。但采用普通的制造方法，例如鑄造和銑削，無法造出具有這種復雜結構的葉片。

激光增材制造(3D打印)技術為這種葉片的制造提供了全新的可能性。但在制造過程中，激光產生的局部高溫和熔體快速冷卻會在材料中產生應力。這不僅會導致變形，在最壞的情況下，甚至可能導致裂紋。因此，制造商必須通過后續復雜的熱處理步驟消除殘余應力，而這要花費很多時間和高昂的成本。

現在，德國聯邦材料研究與測試研究所與慕尼黑工業大學、西門子能源公司和波茨坦大學的研究人員一起，利用位于加興的FRM II 中子源，通過非破壞性中子衍射成功測量了3D打印的鎳基合金結構中的殘余應力。相關成果發表在近日的《應用晶體學雜志》上。

在該實驗中，西門子能源公司用生產燃氣輪機部件的多晶鎳超合金粉末打印出幾毫米大小的晶格結構，并故意省去了通常的生產后熱處理過程。聯邦材料研究與測試研究所的研究人員通過非破壞性中子衍射，成功實現了中子束內晶格結構的正確對齊，并在結構的代表性部分正確確定了殘余應力場。

該實驗證明了可以使用中子衍射來分析復雜構件中的殘余應力。下一步，團隊希望研究如何減少這種破壞性應力。項目主要參與者、聯邦材料研究與測試研究所的托比亞斯·弗瑞奇博士說：“當激光使超合金粉末熔化時，在局部施加的熱量越多，其產生的內部應力就越大。溫度梯度會導致原子晶格不規則。因此，我們必須在打印過程中盡可能均勻地分配熱量。”(李山)