Organizațiile non-profit, mass-media și publicul pot descărca imagini de pe site-ul web al Biroului de presă al MIT sub licența Creative Commons Attribution non-comercial, non-derivative.Nu trebuie să modificați imaginile furnizate, ci doar să le decupați la dimensiunea corectă.Creditele trebuie folosite la copierea imaginilor;Credit „MIT” pentru imagini, cu excepția cazului în care este menționat mai jos.
Un nou tratament termic dezvoltat la MIT modifică microstructura metalelor imprimate 3D, făcând materialul mai puternic și mai rezistent la condițiile termice extreme.Această tehnologie ar putea permite imprimarea 3D a paletelor și paletelor de înaltă performanță pentru turbinele cu gaz și motoarele cu reacție care generează electricitate, permițând noi modele să reducă consumul de combustibil și eficiența energetică.
Paletele turbinelor cu gaz de astăzi sunt realizate folosind un proces tradițional de turnare în care metalul topit este turnat în forme complexe și solidificat direcțional.Aceste componente sunt fabricate din unele dintre cele mai rezistente la căldură aliaje metalice de pe planetă, deoarece sunt concepute pentru a se învârti la viteze mari în gaze extrem de fierbinți, extragând muncă pentru a genera electricitate în centralele electrice și pentru a oferi tracțiune pentru motoarele cu reacție.
Există un interes din ce în ce mai mare pentru producția de pale de turbină folosind imprimarea 3D, care, pe lângă beneficiile ecologice și economice, permite producătorilor să producă rapid pale cu geometrii mai complexe și mai eficiente din punct de vedere energetic.Dar eforturile de imprimare 3D a palelor turbinei nu au depășit încă un obstacol mare: fluajul.
În metalurgie, fluajul este înțeles ca tendința unui metal de a se deforma ireversibil sub presiune mecanică constantă și temperatură ridicată.În timp ce cercetătorii explorau posibilitatea tipăririi paletelor turbinei, au descoperit că procesul de imprimare produce granule fine, cu dimensiuni variate de la zeci la sute de micrometri - o microstructură care este deosebit de predispusă la fluare.
„În practică, aceasta înseamnă că turbina cu gaz va avea o durată de viață mai scurtă sau va fi mai puțin economică”, a spus Zachary Cordero, profesor de aerospațial Boeing la MIT.„Acestea sunt rezultate proaste costisitoare.”
Cordero și colegii săi au găsit o modalitate de a îmbunătăți structura aliajelor imprimate 3D prin adăugarea unui pas suplimentar de tratament termic care transformă granulele fine ale materialului imprimat în granule „colonare” mai mari – o microstructură mai puternică care minimizează potențialul de fluaj al materialului.material deoarece „stâlpii” sunt aliniați cu axa tensiunii maxime.Abordarea prezentată astăzi în Additive Manufacturing deschide calea pentru imprimarea industrială 3D a palelor turbinelor cu gaz, spun cercetătorii.
„În viitorul apropiat, ne așteptăm ca producătorii de turbine cu gaz să-și imprime palele în fabrici de producție aditivă la scară largă și apoi să le postproceseze folosind tratamentul nostru termic”, a spus Cordero.„Imprimarea 3D va permite noi arhitecturi de răcire care pot crește eficiența termică a turbinelor, permițându-le să producă aceeași cantitate de energie în timp ce ard mai puțin combustibil și, în cele din urmă, emit mai puțin dioxid de carbon.”
Studiul lui Cordero a fost co-autor de autorii principali Dominic Pichi, Christopher Carter și Andres Garcia-Jiménez de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, Anugrahapradha Mukundan și Marie-Agatha Sharpan de la Universitatea Illinois la Urbana-Champaign și Donovan Leonard de la Oak Laboratorul Național Ridge.
Noua metodă a echipei este o formă de recristalizare direcțională, un tratament termic care deplasează materialul printr-o zonă fierbinte la o rată controlată cu precizie, topind multe granule microscopice ale materialului în cristale mai mari, mai puternice și mai uniforme.
Recristalizarea direcțională a fost inventată cu peste 80 de ani în urmă și aplicată materialelor deformabile.În noul lor studiu, o echipă MIT a aplicat recristalizarea direcționată superaliajelor imprimate 3D.
Echipa a testat această metodă pe superaliaje pe bază de nichel imprimate 3D, metale turnate în mod obișnuit și utilizate în turbinele cu gaz.Într-o serie de experimente, cercetătorii au plasat mostre imprimate 3D de superaliaje asemănător tijei într-o baie de apă la temperatura camerei, direct sub o bobină de inducție.Au scos încet fiecare tijă din apă și au trecut-o printr-o bobină la viteze diferite, încălzind semnificativ tijele la temperaturi cuprinse între 1200 și 1245 de grade Celsius.
Ei au descoperit că tragerea tijei cu o anumită viteză (2,5 milimetri pe oră) și la o anumită temperatură (1235 grade Celsius) creează un gradient de temperatură abrupt care declanșează o tranziție în microstructura cu granulație fină a suportului de imprimare.
„Materialul începe ca particule mici cu defecte numite dislocații, cum ar fi spaghetele sparte”, a explicat Cordero.„Când încălziți materialul, aceste defecte dispar și se reconstruiesc, iar boabele pot crește.boabe prin absorbția materialului defecte și a boabelor mai mici – un proces numit recristalizare.”
După răcirea tijelor tratate termic, cercetătorii le-au examinat microstructura folosind microscoape optice și electronice și au descoperit că granulele microscopice imprimate ale materialului au fost înlocuite cu granule „colonare”, sau regiuni lungi, asemănătoare cristalelor, care erau mult mai mari decât cele originale. boabe..
„Ne-am restructurat complet”, a spus autorul principal Dominic Peach.„Arătăm că putem crește dimensiunea granulelor cu câteva ordine de mărime pentru a forma un număr mare de boabe columnare, ceea ce ar trebui să conducă teoretic la o îmbunătățire semnificativă a proprietăților de fluaj.”
Echipa a arătat, de asemenea, că ar putea controla rata de tragere și temperatura eșantioanelor de tijă pentru a regla finul granulelor în creștere ale materialului, creând regiuni cu dimensiunea și orientarea specifică a granulelor.Acest nivel de control ar putea permite producătorilor să imprime palete de turbine cu microstructuri specifice locației, care pot fi adaptate la condițiile de operare specifice, spune Cordero.
Cordero intenționează să testeze tratamentul termic al pieselor imprimate 3D mai aproape de palele turbinei.Echipa caută, de asemenea, modalități de a accelera rezistența la tracțiune, precum și de a testa rezistența la fluaj a structurilor tratate termic.Apoi, ei speculează că tratamentul termic ar putea permite aplicarea practică a imprimării 3D pentru a produce palete de turbine de calitate industrială, cu forme și modele mai complexe.
„Noile pale și geometrie ale palelor vor face ca turbinele cu gaz de la sol și, în cele din urmă, motoarele de aeronave să fie mai eficiente din punct de vedere energetic”, a spus Cordero.„Din perspectiva de referință, acest lucru ar putea reduce emisiile de CO2 prin îmbunătățirea eficienței acestor dispozitive.”
Ora postării: 15-11-2022
