Neprofitne organizacije, mediji i javnost mogu preuzimati slike sa web stranice MIT Press Officea pod nekomercijalnom, neizvedenom licencom Creative Commons Attribution.Ne smijete mijenjati dostavljene slike, samo ih izrezati na ispravnu veličinu.Zasluge se moraju koristiti prilikom kopiranja slika;"MIT" kredit za slike osim ako je navedeno u nastavku.
Nova toplotna obrada razvijena na MIT-u menja mikrostrukturu 3D štampanih metala, čineći materijal jačim i otpornijim na ekstremne termičke uslove.Ova tehnologija bi mogla omogućiti 3D štampanje lopatica i lopatica visokih performansi za gasne turbine i mlazne motore koji proizvode električnu energiju, omogućavajući novim dizajnom da smanje potrošnju goriva i energetsku efikasnost.
Današnje lopatice gasnih turbina izrađuju se tradicionalnim procesom livenja u kojem se rastopljeni metal izliva u složene oblike i usmereno skrućuje.Ove komponente su napravljene od nekih od najotpornijih metalnih legura na planeti, jer su dizajnirane da se vrte velikom brzinom u ekstremno vrućim plinovima, izvlačeći rad za proizvodnju električne energije u elektranama i osiguravaju potisak za mlazne motore.
Sve je veći interes za proizvodnju turbinskih lopatica pomoću 3D štampe, što, pored ekoloških i ekonomskih prednosti, omogućava proizvođačima brzu proizvodnju lopatica složenije i energetski efikasnije geometrije.Ali napori za 3D štampanje turbinskih lopatica tek treba da prevaziđu jednu veliku prepreku: puzanje.
U metalurgiji se pod puzanjem podrazumijeva sklonost metala da se nepovratno deformira pod stalnim mehaničkim naprezanjem i visokom temperaturom.Dok su istraživači istraživali mogućnost štampanja lopatica turbine, otkrili su da proces štampanja proizvodi fina zrna veličine od desetina do stotina mikrometara – mikrostruktura koja je posebno sklona puzanju.
“U praksi, to znači da će plinska turbina imati kraći vijek trajanja ili će biti manje ekonomična”, rekao je Zachary Cordero, Boeing profesor aeronautike na MIT-u.“Ovo su skupi loši rezultati.”
Cordero i kolege su pronašli način da poboljšaju strukturu 3D štampanih legura dodavanjem dodatnog koraka termičke obrade koji pretvara fina zrna štampanog materijala u veća „kolonasta” zrna – čvršću mikrostrukturu koja minimizira potencijal puzanja materijala.materijala jer su "stubovi" poravnati sa osom maksimalnog naprezanja.Pristup koji je danas predstavljen u Additive Manufacturing otvara put za industrijsko 3D štampanje lopatica gasnih turbina, kažu istraživači.
"U bliskoj budućnosti očekujemo da će proizvođači plinskih turbina štampati svoje lopatice u velikim pogonima za proizvodnju aditiva, a zatim ih naknadno obraditi pomoću naše toplinske obrade", rekao je Cordero.„3D štampa će omogućiti nove arhitekture hlađenja koje mogu povećati termičku efikasnost turbina, omogućavajući im da proizvedu istu količinu energije uz sagorevanje manje goriva i na kraju emitujući manje ugljen-dioksida.”
Korderovu studiju koautori su vodeći autori Dominic Pichi, Christopher Carter i Andres Garcia-Jiménez sa Massachusetts Institute of Technology, Anugrahapradha Mukundan i Marie-Agatha Sharpan sa Univerziteta Illinois u Urbana-Champaignu i O Donovan Leonard iz Instituta za tehnologiju u Masačusetsu. Ridge National Laboratory.
Nova metoda tima je oblik usmjerene rekristalizacije, toplinske obrade koja pomiče materijal kroz vruću zonu precizno kontroliranom brzinom, spajajući mnoga mikroskopska zrna materijala u veće, jače, ujednačenije kristale.
Usmjerena rekristalizacija izumljena je prije više od 80 godina i primijenjena na deformabilne materijale.U svojoj novoj studiji, MIT tim je primenio usmerenu rekristalizaciju na 3D štampane superlegure.
Tim je testirao ovu metodu na 3D štampanim superlegurama na bazi nikla, metalima koji se obično lijevaju i koriste u plinskim turbinama.U nizu eksperimenata, istraživači su postavili 3D štampane uzorke superlegura nalik šipkama u vodeno kupatilo na sobnoj temperaturi direktno ispod induktivne zavojnice.Polako su izvlačili svaki štap iz vode i propuštali ga kroz zavojnicu različitim brzinama, značajno zagrijavajući štapove do temperatura u rasponu od 1200 do 1245 stepeni Celzijusa.
Otkrili su da povlačenje štapa pri određenoj brzini (2,5 milimetara na sat) i na određenoj temperaturi (1235 stepeni Celzijusa) stvara strmi temperaturni gradijent koji pokreće prijelaz u fino zrnatoj mikrostrukturi medija za štampanje.
“Materijal počinje kao male čestice s defektima zvanim dislokacije, poput slomljenih špageta”, objasnio je Cordero.“Kada zagrijete materijal, ovi defekti nestaju i obnavljaju se, a zrna mogu rasti.zrna apsorbiranjem neispravnog materijala i manjih zrna – proces koji se naziva rekristalizacija.”
Nakon hlađenja termički obrađenih štapova, istraživači su ispitali njihovu mikrostrukturu pomoću optičkih i elektronskih mikroskopa i otkrili da su utisnuta mikroskopska zrna materijala zamijenjena "stupastim" zrncima, ili dugim, kristalnim područjima koja su bila mnogo veća od originala. zrna..
“Potpuno smo se restrukturirali,” rekao je glavni autor Dominic Peach.“Pokazali smo da možemo povećati veličinu zrna za nekoliko redova veličine kako bismo formirali veliki broj stupčastih zrna, što bi teoretski trebalo dovesti do značajnog poboljšanja svojstava puzanja.”
Tim je također pokazao da mogu kontrolirati brzinu povlačenja i temperaturu uzoraka štapa kako bi fino podesili rastuća zrna materijala, stvarajući regije specifične veličine zrna i orijentacije.Ovaj nivo kontrole mogao bi omogućiti proizvođačima da štampaju lopatice turbina sa mikrostrukturama specifičnim za lokaciju koje se mogu prilagoditi specifičnim radnim uslovima, kaže Cordero.
Cordero planira da testira termičku obradu 3D štampanih delova bliže lopaticama turbine.Tim također istražuje načine za ubrzanje vlačne čvrstoće, kao i testiranje otpornosti na puzanje toplotno obrađenih struktura.Zatim spekulišu da bi termička obrada mogla omogućiti praktičnu primenu 3D štampe za proizvodnju industrijskih turbinskih lopatica sa složenijim oblicima i šarama.
“Nove lopatice i geometrija lopatica učinit će kopnene plinske turbine i, na kraju, avionske motore energetski efikasnijim,” rekao je Cordero.“Iz osnovne perspektive, ovo bi moglo smanjiti emisiju CO2 poboljšanjem efikasnosti ovih uređaja.”
Vrijeme objave: 15.11.2022
