基于掃描策略驅動微結構調整，減少3D打印CM247LC合金渦輪葉片開裂

2025年4月18日，南極熊獲悉，來自的查爾姆斯理工大學的一項新研究顯示有望解決增材制造渦輪葉片中的開裂問題，可提高燃氣輪機的可靠性和效率。金屬增材制造中心 (CAM2) 的研究人員開發(fā)了一種通過改進掃描策略以控制LPBF CM247LC高溫合金凝固裂紋的增材制造方法，可以減少暴露在極端高溫高壓下的金屬部件的開裂和殘余應力。

相關研究以題為“Microstructure tailoring for crackmitigation in CM247LC manufactured by powder bed fusion – Laser beam”的論文發(fā)布在《增材制造》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104672

燃氣輪機在嚴苛的條件下運行，其部件承受著極端溫度和機械負荷。制造這些部件時的一個主要問題是開裂，開裂會削弱金屬強度并縮短其使用壽命。

在CAM2，研究人員開發(fā)出一種通過調整金屬加工方式來減少增材制造開裂的方法。他們沒有使用長時間連續(xù)的激光掃描，而是測試了更短的激光掃描模式，以更好地控制熱量輸入。這種調整有助于更均勻地將熱量分布在材料上，從而降低形成裂紋的風險。

掃描條紋寬度分別為 (a) 5 毫米、(b) 2.5 毫米、(c) 1 毫米、(d) 0.7 毫米、(e)0.5 毫米和 (f) 0.2 毫米的樣品的光學顯微鏡(OM) 圖像。所有圖像的比例與 (a) 中所示相同，裂紋密度（單位為 mm/mm 2）標示于右上角。

查爾姆斯理工大學金屬增材制造博士生 Ahmed Fardan JabirHussain 表示：“結果表明，這種掃描策略有助于最大限度地減少凝固開裂和殘余應力，從而提高該合金的整體加工性能�！�

雖然該研究的重點是一種常用于燃氣輪機的特定高性能合金 CM247LC ，但其研究結果也可能使其他容易出現(xiàn)類似開裂問題的材料受益。

右上角：CAM2的EBSD圖像，其中字母以 5 毫米條紋寬度打印，背景以 0.2 毫米條紋寬度打印，以展示微觀結構定制的潛力。來源：查爾姆斯理工學院。

艾哈邁德表示：“開裂在生產過程和熱處理過程中都會發(fā)生，這限制了這些材料的使用。這項研究使我們更接近于使這些材料更適用于此類應用。”

這項研究最有前景的方面之一是降低殘余應力的潛力，而殘余應力是防止應變時效開裂 (SAC) 的關鍵因素。SAC 是應力集中區(qū)域附近的常見問題，尤其是在渦輪葉片等最終部件中。這項改進的工藝有望生產出更堅固、更耐用、更能承受高溫和應力的部件。

Ahmed 表示：“短矢量掃描策略可以局部應用于應力集中點附近，從而形成抗應變時效開裂的微觀結構。這種微觀結構定制對于使用此類合金進行制造的行業(yè)來說非常有吸引力�！�

研究團隊還在努力確保材料能夠長時間承受極端高溫而不變形，這種特性被稱為蠕變性能。這對于在高溫和高負荷下運行的渦輪葉片來說至關重要。

Ahmed表示：“這些合金專為燃氣輪機的熱部件（例如渦輪葉片）而設計。這些葉片需要承受極高的載荷和溫度，因此必須具備強大的高溫蠕變性能。我們目前正在改進這些性能，使其蠕變性能更接近鑄造材料�！�