編譯／韋士塔

為了節省燃料消耗，提升能源使用效率，科學家不斷嘗試燃氣渦輪引擎葉片及噴射引擎葉片的新材質；麻省理工學院（MIT）研究團隊開發一種新的熱處理技術，能夠改變3D列印金屬的結構，讓材料在極端熱環境更堅固、更有彈性，大幅提升渦輪葉片的性能。

目前的燃氣渦輪機葉片是以傳統的鑄造工藝製造，方法是把熔融金屬倒入複雜的模具並凝固。這些材料均由最耐熱的金屬合金製成，以便在高熱的氣體高速旋轉，為發電廠發電或在噴射引擎中產生推力。

近年來，製造商已開始嘗試使用3D列印技術製造渦輪葉片，這種製造方式除了具有環境及成本優勢，還能快速生產出構造更複雜、更節能的幾何形狀葉片。不過，3D列印渦輪葉片的一大挑戰是「潛變」（Creep）。

在冶金領域中，潛變是指金屬在持續的機械應力與高溫下發生永久變形。研究人員發現，以3D列印技術製造渦輪葉片時，印製過程會產生極為細小的晶粒，這種結構非常容易發生潛變。

MIT教授寇德洛（Zachary Cordero）表示：「3D列印可以生產複雜的金屬部件，但這些物品在受力及加熱時容易變形。以渦輪葉片來說，這代表使用壽命更短，或燃料效率降低，這不是以3D列印技術製作部件的用意。」

為了改善潛變的問題，寇德洛帶領的團隊開發出新的熱處理技術，把3D列印材料上的細小晶粒轉變成體積較大、更堅固的柱狀晶粒，如此一來產品就不容易發生潛變。

研究團隊表示，他們的熱處理技術是「定向再結晶」（directional recrystallization）的新模式。

定向再結晶技術在80多年前出現，是一種讓材料以精確控制的速度通過熱區的熱處理技術，讓材料的許多細晶粒融合成更大、更堅固、更均勻的晶體，現已應用於鍛造材料。

MIT的團隊以3D列印鎳合金棒測試，把鎳合金棒被放置在一個感應線圈正下方的室溫水中，以不同的速度緩慢地通過線圈向上拉，同時把鎳合金棒的溫度快速加熱到1200~1245℃。在這個過程，鎳合金棒的晶粒結構會發生轉變；透過控制鎳合金棒的拉升速度及溫度，就能調整晶粒的結構，適應特定的操作環境。

寇德洛表示，研究人員準備在類似燃氣渦輪引擎或噴射引擎葉片的結構上測試這項技術，若最終能夠證明這些葉片足以承受持續的機械應力與高熱、不容易發生潛變，就可為將來更具效率的金屬部件設計奠基。

寇德洛說：「我們希望，在不久的將來，燃氣渦輪引擎製造商能在大型製造廠列印引擎的葉片，然後使用我們的熱處理技術加工。3D列印技術能創造新的冷卻架構，提高渦輪引擎的效率，使用更少的燃料，減少二氧化碳排放量。」