NIMS研究人員采用3D打印技術使耐熱鋼的蠕變壽命延長10倍以上

2025年1月17日，南極熊獲悉，日本材料科學研究所（NIMS）研究團隊通過激光粉末床熔合（LPBF）3D打印技術成功制造了改性耐熱鋼測試樣品，并對它進行了長時間的蠕變測試。研究結果表明，LPBF顯著提升了樣品的蠕變壽命，與通過傳統(tǒng)熱處理工藝生產的耐熱鋼相比，蠕變壽命至少提高了10倍。

△采用激光粉末床熔合 (LPBF) 制造了改性9Cr-1Mo鋼

LPBF增材制造技術顯著提升耐熱鋼蠕變壽命

LPBF屬于增材制造技術的一種，它通過逐層沉積金屬粉末，并利用激光選擇性地熔化和固化這些粉末來形成固體金屬層。隨后，這些連續(xù)的2D層與前一層熔合，從而構建出所需形狀的3D組件。

△這項研究已發(fā)表在《增材制造》雜志上，題目為“通過激光粉末床熔合控制微觀結構，顯著提高改性9Cr-1Mo鋼的蠕變強度”（傳送門）

與傳統(tǒng)制造工藝相比，LPBF能夠生產出更為復雜的形狀，并且已經在多個領域得到應用。然而，對于長期在高溫高壓環(huán)境下使用的耐熱LPBF產品，為確保它的安全可靠，進行充分的蠕變測試是必不可少的。

NIMS研究團隊使用LPBF技術制造了耐熱鐵素體鋼（改良型9Cr-1Mo鋼）試件，并在650°C和100MPa的條件下對它進行了長達1萬小時（約一年零兩個月）的蠕變試驗。測試結果顯示，LPBF試件的蠕變壽命比傳統(tǒng)熱處理試件長出10倍以上。在測試中，傳統(tǒng)試件在400至800小時后發(fā)生破裂，而LPBF試件在經過1萬小時的測試后仍然完好無損。

△比較使用激光粉末床熔合工藝生產的鋼試件，與通過傳統(tǒng)熱處理工藝生產的鋼試件的斷裂時間和施加應力之間的關系

與傳統(tǒng)熱處理鋼中形成的回火馬氏體微觀結構不同，LPBF生產的鋼由于極快的凝固速度，形成了高溫δ鐵素體相微觀結構，它的冷卻速度估計高達每秒1,000,000°C。這種獨特的微觀結構被認為是LPBF鋼蠕變壽命顯著延長的主要原因。

研究團隊計劃繼續(xù)對LPBF鋼樣品進行超過1萬小時的測試，以評估的蠕變斷裂強度。這一數據對于確定火電廠所用鋼材的允許拉伸應力至關重要。此外，團隊還打算對采用LPBF技術生產的其它耐熱材料進行蠕變測試。通過生成更全面的蠕變測試數據，以確保LPBF產品的可靠性，該團隊致力于推動這項技術廣泛應用并支持相關行業(yè)標準的制定。