NIMS研究人員采用3D打印技術(shù)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(xué)研究所（NIMS）研究團(tuán)隊(duì)通過激光粉末床熔合（LPBF）3D打印技術(shù)成功制造了改性耐熱鋼測試樣品，并對(duì)它進(jìn)行了長時(shí)間的蠕變測試。研究結(jié)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(chǎn)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(shù)顯著提升耐熱鋼蠕變壽命

LPBF屬于增材制造技術(shù)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(gòu)建出所需形狀的3D組件。

△這項(xiàng)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(jié)構(gòu)，顯著提高改性9Cr-1Mo鋼的蠕變強(qiáng)度”（傳送門）

與傳統(tǒng)制造工藝相比，LPBF能夠生產(chǎn)出更為復(fù)雜的形狀，并且已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。然而，對(duì)于長期在高溫高壓環(huán)境下使用的耐熱LPBF產(chǎn)品，為確保它的安全可靠，進(jìn)行充分的蠕變測試是必不可少的。

NIMS研究團(tuán)隊(duì)使用LPBF技術(shù)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(duì)它進(jìn)行了長達(dá)1萬小時(shí)（約一年零兩個(gè)月）的蠕變試驗(yàn)。測試結(jié)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(shí)后發(fā)生破裂，而LPBF試件在經(jīng)過1萬小時(shí)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(chǎn)的鋼試件，與通過傳統(tǒng)熱處理工藝生產(chǎn)的鋼試件的斷裂時(shí)間和施加應(yīng)力之間的關(guān)系

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

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)對(duì)LPBF鋼樣品進(jìn)行超過1萬小時(shí)的測試，以評(píng)估的蠕變斷裂強(qiáng)度。這一數(shù)據(jù)對(duì)于確定火電廠所用鋼材的允許拉伸應(yīng)力至關(guān)重要。此外，團(tuán)隊(duì)還打算對(duì)采用LPBF技術(shù)生產(chǎn)的其它耐熱材料進(jìn)行蠕變測試。通過生成更全面的蠕變測試數(shù)據(jù)，以確保LPBF產(chǎn)品的可靠性，該團(tuán)隊(duì)致力于推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用并支持相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。