中子衍射或可改善涡轮叶片生产工艺

近日，德国科学家团队利用FRM Ⅱ中子源成功对3D打印的镍铬合金试件进行了残余应力分析，未来有望在该研究基础上，改善3D打印涡轮叶片的生产工艺。

燃气轮机的叶片在工作中必须承受高温、高压和高离心力等极端条件。为了进一步提高效率，燃烧的温度甚至高于叶片材料的熔点。因此，燃气轮机叶片被设计成复杂的空心结构，以便从内部通过空气进行冷却。但采用普通的制造方法，例如铸造和铣削，无法造出具有这种复杂结构的叶片。

激光增材制造（3D打印）技术为这种叶片的制造提供了全新的可能性。但在制造过程中，激光产生的局部高温和熔体快速冷却会在材料中产生应力。这不仅会导致变形，在最坏的情况下，甚至可能导致裂纹。因此，制造商必须通过后续复杂的热处理步骤消除残余应力，而这要花费很多时间和高昂的成本。

现在，德国联邦材料研究与测试研究所与慕尼黑工业大学、西门子能源公司和波茨坦大学的研究人员一起，利用位于加兴的FRM Ⅱ中子源，通过非破坏性中子衍射成功测量了3D打印的镍基合金结构中的残余应力。相关成果发表在近日的《应用晶体学杂志》上。

在该实验中，西门子能源公司用生产燃气轮机部件的多晶镍超合金粉末打印出几毫米大小的晶格结构，并故意省去了通常的生产后热处理过程。联邦材料研究与测试研究所的研究人员通过非破坏性中子衍射，成功实现了中子束内晶格结构的正确对齐，并在结构的代表性部分正确确定了残余应力场。

该实验证明了可以使用中子衍射来分析复杂构件中的残余应力。下一步，团队希望研究如何减少这种破坏性应力。项目主要参与者、联邦材料研究与测试研究所的托比亚斯·弗瑞奇博士说：“当激光使超合金粉末熔化时，在局部施加的热量越多，其产生的内部应力就越大。温度梯度会导致原子晶格不规则。因此，我们必须在打印过程中尽可能均匀地分配热量。”（记者李山）