Organizacje non-profit, media i opinia publiczna mogą pobierać obrazy ze strony internetowej Biura Prasowego MIT na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa, niekomercyjnej, niepochodnej.Nie wolno modyfikować dostarczonych obrazów, a jedynie przycinać je do odpowiedniego rozmiaru.Podczas kopiowania obrazów należy używać kredytów;Uznanie „MIT” dla obrazów, o ile nie zaznaczono poniżej.
Nowa obróbka cieplna opracowana w MIT zmienia mikrostrukturę drukowanych w 3D metali, czyniąc materiał mocniejszym i bardziej odpornym na ekstremalne warunki termiczne.Technologia ta może umożliwić drukowanie 3D wysokowydajnych łopatek i łopatek do turbin gazowych i silników odrzutowych, które wytwarzają energię elektryczną, umożliwiając tworzenie nowych projektów w celu zmniejszenia zużycia paliwa i efektywności energetycznej.
Dzisiejsze łopaty turbin gazowych są wytwarzane przy użyciu tradycyjnego procesu odlewania, w którym stopiony metal jest wlewany w złożone kształty i kierunkowo krzepnięty.Komponenty te są wykonane z jednych z najbardziej żaroodpornych stopów metali na świecie, ponieważ są przeznaczone do obracania się z dużymi prędkościami w ekstremalnie gorących gazach, wykonując pracę w celu wytworzenia energii elektrycznej w elektrowniach i zapewnienia ciągu dla silników odrzutowych.
Rośnie zainteresowanie produkcją łopatek turbin z wykorzystaniem druku 3D, co oprócz korzyści środowiskowych i ekonomicznych pozwala producentom na szybkie wytwarzanie łopatek o bardziej złożonej i energooszczędnej geometrii.Jednak wysiłki mające na celu drukowanie łopatek turbin w 3D nie pokonały jeszcze jednej dużej przeszkody: pełzania.
W metalurgii pełzanie jest rozumiane jako tendencja metalu do nieodwracalnego odkształcenia pod wpływem stałego naprężenia mechanicznego i wysokiej temperatury.Podczas gdy naukowcy badali możliwość drukowania łopatek turbin, odkryli, że w procesie drukowania powstają drobne ziarna o wielkości od dziesiątek do setek mikrometrów – mikrostruktura, która jest szczególnie podatna na pełzanie.
„W praktyce oznacza to, że turbina gazowa będzie miała krótszą żywotność lub będzie mniej ekonomiczna” – powiedział Zachary Cordero, profesor Boeinga na MIT.„To kosztowne, złe wyniki”.
Cordero i współpracownicy znaleźli sposób na poprawę struktury stopów drukowanych w 3D poprzez dodanie dodatkowego etapu obróbki cieplnej, który zamienia drobne ziarna drukowanego materiału w większe „kolumnowe” ziarna – silniejszą mikrostrukturę, która minimalizuje potencjał pełzania materiału.materiału, ponieważ „słupki” są wyrównane z osią maksymalnego naprężenia.Naukowcy twierdzą, że podejście nakreślone dzisiaj w Additive Manufacturing toruje drogę przemysłowemu drukowaniu 3D łopatek turbin gazowych.
„Spodziewamy się, że w niedalekiej przyszłości producenci turbin gazowych będą drukować swoje łopaty w dużych zakładach produkujących dodatki, a następnie przetwarzać je za pomocą naszej obróbki cieplnej” — powiedział Cordero.„Drukowanie 3D umożliwi tworzenie nowych architektur chłodzenia, które mogą zwiększyć sprawność cieplną turbin, umożliwiając im wytwarzanie takiej samej ilości energii przy jednoczesnym spalaniu mniejszej ilości paliwa i ostatecznie emitowaniu mniejszej ilości dwutlenku węgla”.
Badanie Cordero było współautorem głównych autorów Dominic Pichi, Christopher Carter i Andres Garcia-Jiménez z Massachusetts Institute of Technology, Anugrahapradha Mukundan i Marie-Agatha Sharpan z University of Illinois w Urbana-Champaign oraz Donovan Leonard z Oak Narodowe Laboratorium Ridge'a.
Nowa metoda zespołu jest formą kierunkowej rekrystalizacji, obróbki cieplnej, która przesuwa materiał przez gorącą strefę z precyzyjnie kontrolowaną szybkością, łącząc wiele mikroskopijnych ziaren materiału w większe, mocniejsze i bardziej jednolite kryształy.
Rekrystalizacja kierunkowa została wynaleziona ponad 80 lat temu i stosowana do materiałów odkształcalnych.W swoim nowym badaniu zespół z MIT zastosował ukierunkowaną rekrystalizację do nadstopów drukowanych w 3D.
Zespół przetestował tę metodę na wydrukowanych w 3D superstopach na bazie niklu, metalach powszechnie odlewanych i stosowanych w turbinach gazowych.W serii eksperymentów naukowcy umieścili wydrukowane w 3D próbki nadstopów podobnych do prętów w łaźni wodnej o temperaturze pokojowej bezpośrednio pod cewką indukcyjną.Powoli wyciągali każdą wędkę z wody i przepuszczali ją przez cewkę z różnymi prędkościami, znacznie podgrzewając wędki do temperatur w zakresie od 1200 do 1245 stopni Celsjusza.
Odkryli, że pociągnięcie pręta z określoną prędkością (2,5 milimetra na godzinę) i w określonej temperaturze (1235 stopni Celsjusza) tworzy stromy gradient temperatury, który wyzwala przejście w drobnoziarnistej mikrostrukturze nośnika druku.
„Materiał zaczyna się jako małe cząsteczki z defektami zwanymi dyslokacjami, jak zepsute spaghetti” – wyjaśnił Cordero.„Po podgrzaniu materiału te wady znikają i odbudowują się, a ziarna mogą rosnąć.ziarna, wchłaniając wadliwy materiał i mniejsze ziarna — proces zwany rekrystalizacją”.
Po schłodzeniu poddanych obróbce cieplnej prętów naukowcy zbadali ich mikrostrukturę za pomocą mikroskopów optycznych i elektronowych i stwierdzili, że odciśnięte mikroskopijne ziarna materiału zostały zastąpione ziarnami „kolumnowymi”, czyli długimi, przypominającymi kryształy obszarami, które były znacznie większe niż oryginał ziarna..
„Dokonaliśmy całkowitej restrukturyzacji” — powiedział główny autor Dominic Peach.„Pokazujemy, że możemy zwiększyć rozmiar ziarna o kilka rzędów wielkości, aby utworzyć dużą liczbę ziaren kolumnowych, co teoretycznie powinno prowadzić do znacznej poprawy właściwości pełzania”.
Zespół wykazał również, że może kontrolować szybkość wyciągania i temperaturę próbek prętów, aby precyzyjnie dostroić rosnące ziarna materiału, tworząc obszary o określonej wielkości i orientacji ziaren.Ten poziom kontroli może pozwolić producentom na drukowanie łopatek turbin z mikrostrukturami specyficznymi dla danego miejsca, które można dostosować do określonych warunków pracy, mówi Cordero.
Cordero planuje przetestować obróbkę cieplną części wydrukowanych w 3D bliżej łopatek turbiny.Zespół szuka również sposobów na przyspieszenie wytrzymałości na rozciąganie, a także testuje odporność na pełzanie struktur poddanych obróbce cieplnej.Następnie spekulują, że obróbka cieplna może umożliwić praktyczne zastosowanie druku 3D do produkcji przemysłowych łopatek turbin o bardziej złożonych kształtach i wzorach.
„Nowe łopaty i ich geometria sprawią, że lądowe turbiny gazowe, a ostatecznie silniki lotnicze, będą bardziej energooszczędne” — powiedział Cordero.„Z punktu widzenia punktu odniesienia mogłoby to zmniejszyć emisję CO2 poprzez poprawę wydajności tych urządzeń”.
Czas postu: 15 listopada 2022 r
