基于扫描策略驱动微结构调整，减少3D打印CM247LC合金涡轮叶片开裂

2025年4月18日，南极熊获悉，来自的查尔姆斯理工大学的一项新研究显示有望解决增材制造涡轮叶片中的开裂问题，可提高燃气轮机的可靠性和效率。金属增材制造中心 (CAM2) 的研究人员开发了一种通过改进扫描策略以控制LPBF CM247LC高温合金凝固裂纹的增材制造方法，可以减少暴露在极端高温高压下的金属部件的开裂和残余应力。

相关研究以题为“Microstructure tailoring for crackmitigation in CM247LC manufactured by powder bed fusion – Laser beam”的论文发布在《增材制造》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104672

燃气轮机在严苛的条件下运行，其部件承受着极端温度和机械负荷。制造这些部件时的一个主要问题是开裂，开裂会削弱金属强度并缩短其使用寿命。

在CAM2，研究人员开发出一种通过调整金属加工方式来减少增材制造开裂的方法。他们没有使用长时间连续的激光扫描，而是测试了更短的激光扫描模式，以更好地控制热量输入。这种调整有助于更均匀地将热量分布在材料上，从而降低形成裂纹的风险。

扫描条纹宽度分别为 (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 毫米的样品的光学显微镜(OM) 图像。所有图像的比例与 (a) 中所示相同，裂纹密度（单位为 mm/mm 2）标示于右上角。

查尔姆斯理工大学金属增材制造博士生 Ahmed Fardan JabirHussain 表示：“结果表明，这种扫描策略有助于最大限度地减少凝固开裂和残余应力，从而提高该合金的整体加工性能。”

虽然该研究的重点是一种常用于燃气轮机的特定高性能合金 CM247LC ，但其研究结果也可能使其他容易出现类似开裂问题的材料受益。

右上角：CAM2的EBSD图像，其中字母以 5 毫米条纹宽度打印，背景以 0.2 毫米条纹宽度打印，以展示微观结构定制的潜力。来源：查尔姆斯理工学院。

艾哈迈德表示：“开裂在生产过程和热处理过程中都会发生，这限制了这些材料的使用。这项研究使我们更接近于使这些材料更适用于此类应用。”

这项研究最有前景的方面之一是降低残余应力的潜力，而残余应力是防止应变时效开裂 (SAC) 的关键因素。SAC 是应力集中区域附近的常见问题，尤其是在涡轮叶片等最终部件中。这项改进的工艺有望生产出更坚固、更耐用、更能承受高温和应力的部件。

Ahmed 表示：“短矢量扫描策略可以局部应用于应力集中点附近，从而形成抗应变时效开裂的微观结构。这种微观结构定制对于使用此类合金进行制造的行业来说非常有吸引力。”

研究团队还在努力确保材料能够长时间承受极端高温而不变形，这种特性被称为蠕变性能。这对于在高温和高负荷下运行的涡轮叶片来说至关重要。

Ahmed表示：“这些合金专为燃气轮机的热部件（例如涡轮叶片）而设计。这些叶片需要承受极高的载荷和温度，因此必须具备强大的高温蠕变性能。我们目前正在改进这些性能，使其蠕变性能更接近铸造材料。”