Некомерційні організації, ЗМІ та громадськість можуть завантажувати зображення з веб-сайту прес-служби Массачусетського технологічного інституту за некомерційною непохідною ліцензією Creative Commons Attribution.Ви не повинні змінювати надані зображення, лише обрізайте їх до правильного розміру.Під час копіювання зображень необхідно використовувати кредити;Кредит «MIT» для зображень, якщо не зазначено нижче.
Нова термічна обробка, розроблена в Массачусетському технологічному інституті, змінює мікроструктуру 3D-друкованих металів, роблячи матеріал міцнішим і стійкішим до екстремальних температурних умов.Ця технологія може дозволити 3D-друк високоефективних лопатей і лопаток для газових турбін і реактивних двигунів, які виробляють електроенергію, створюючи нові конструкції для зниження споживання палива та енергоефективності.
Сучасні лопатки газових турбін виготовляються за допомогою традиційного процесу лиття, під час якого розплавлений метал заливається у складні форми та спрямовано твердне.Ці компоненти виготовлені з одних із найбільш жаростійких металевих сплавів на планеті, оскільки вони розроблені для обертання на високих швидкостях у надзвичайно гарячих газах, витягуючи роботу для виробництва електроенергії на електростанціях і забезпечуючи тягу для реактивних двигунів.
Зростає інтерес до виробництва турбінних лопаток за допомогою 3D-друку, що, окрім екологічних та економічних переваг, дозволяє виробникам швидко виготовляти лопатки зі складнішою та енергоефективнішою геометрією.Але зусилля з 3D-друку лопатей турбін ще не подолали одну велику перешкоду: повзучість.
У металургії під повзучістю розуміють схильність металу до необоротної деформації під дією постійних механічних навантажень і високої температури.Поки дослідники вивчали можливість друку лопатей турбіни, вони виявили, що процес друку створює дрібні зерна розміром від десятків до сотень мікрометрів — мікроструктура, яка особливо схильна до повзучості.
«На практиці це означає, що газова турбіна матиме менший термін служби або буде менш економічною», — сказав Закарі Кордеро, професор аерокосмічної галузі Boeing в Массачусетському технологічному інституті.«Це дорогі погані результати».
Кордеро та його колеги знайшли спосіб покращити структуру сплавів, надрукованих на 3D-друкі, додавши додатковий етап термічної обробки, який перетворює дрібні зерна друкованого матеріалу на більші «стовпчасті» зерна — більш міцну мікроструктуру, яка мінімізує потенціал повзучості матеріалу.матеріалу, тому що «стовпи» вирівняні з віссю максимального напруження.За словами дослідників, підхід, викладений сьогодні в Additive Manufacturing, відкриває шлях для промислового 3D-друку лопаток газових турбін.
«У найближчому майбутньому ми очікуємо, що виробники газових турбін друкуватимуть свої лопаті на великих заводах з виробництва добавок, а потім оброблятимуть їх за допомогою нашої термічної обробки», — сказав Кордеро.«3D-друк увімкне нові архітектури охолодження, які можуть підвищити теплову ефективність турбін, дозволяючи їм виробляти ту саму кількість електроенергії, спалюючи менше палива та, зрештою, викидаючи менше вуглекислого газу».
Співавторами дослідження Кордеро були провідні автори Домінік Пічі, Крістофер Картер і Андрес Гарсія-Хіменес з Массачусетського технологічного інституту, Ануграхапрадха Мукундан і Марі-Агата Шарпан з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн і Донован Леонард з Оук Ріджська національна лабораторія.
Новий метод команди є формою спрямованої рекристалізації, термічної обробки, яка переміщує матеріал через гарячу зону з точно контрольованою швидкістю, сплавляючи багато мікроскопічних зерен матеріалу у більші, міцніші та однорідніші кристали.
Спрямована рекристалізація була винайдена понад 80 років тому і застосована до деформівних матеріалів.У своєму новому дослідженні команда Массачусетського технологічного інституту застосувала спрямовану рекристалізацію до 3D-друкованих суперсплавів.
Команда випробувала цей метод на 3D-друкованих суперсплавах на основі нікелю, металах, які зазвичай відливають і використовують у газових турбінах.У серії експериментів дослідники помістили 3D-друковані зразки стрижневих суперсплавів у водяну баню кімнатної температури безпосередньо під індукційною котушкою.Вони повільно витягували кожен стрижень з води і пропускали його через котушку з різними швидкостями, значно нагріваючи стрижні до температур від 1200 до 1245 градусів за Цельсієм.
Вони виявили, що витягування стрижня з певною швидкістю (2,5 міліметра на годину) і при певній температурі (1235 градусів за Цельсієм) створює крутий температурний градієнт, який запускає перехід у дрібнозернистій мікроструктурі носія для друку.
«Матеріал спочатку виглядає як маленькі частинки з дефектами, які називаються дислокаціями, як розбиті спагетті», — пояснив Кордеро.«Коли ви нагріваєте матеріал, ці дефекти зникають і відновлюються, і зерна можуть рости.зерна шляхом поглинання дефектного матеріалу та дрібніших зерен—цей процес називається рекристалізацією».
Після охолодження термічно оброблених стрижнів дослідники дослідили їхню мікроструктуру за допомогою оптичного та електронного мікроскопів і виявили, що відбиті мікроскопічні зерна матеріалу були замінені «стовпчастими» зернами або довгими кристалоподібними областями, які були набагато більшими за початкові. зерна..
«Ми повністю реструктуризували», — сказав провідний автор Домінік Піч.«Ми показуємо, що ми можемо збільшити розмір зерен на кілька порядків, щоб утворити велику кількість стовпчастих зерен, що теоретично має призвести до значного покращення властивостей повзучості».
Команда також показала, що вони можуть контролювати швидкість витягування та температуру зразків стрижнів для точного налаштування зростаючих зерен матеріалу, створюючи області певного розміру зерна та орієнтації.Такий рівень контролю може дозволити виробникам друкувати лопаті турбін з мікроструктурами, що відповідають конкретним місцям, які можна адаптувати до конкретних умов експлуатації, каже Кордеро.
Кордеро планує випробувати термічну обробку надрукованих на 3D-принтерах деталей ближче до лопатей турбіни.Команда також шукає способи прискорити міцність на розрив, а також перевірити опір повзучості термооброблених конструкцій.Потім вони припускають, що термічна обробка може забезпечити практичне застосування 3D-друку для виготовлення лопатей турбін промислового класу зі складнішими формами та візерунками.
«Нові лопаті та геометрія лопатей зроблять наземні газові турбіни та, зрештою, авіаційні двигуни більш енергоефективними», — сказав Кордеро.«З базової точки зору це може зменшити викиди CO2 за рахунок підвищення ефективності цих пристроїв».
Час публікації: 15 листопада 2022 р
