Non-profit organisasjoner, media og publikum kan laste ned bilder fra MIT Press Office-nettstedet under Creative Commons Attribution ikke-kommersiell, ikke-avledet lisens.Du må ikke endre de medfølgende bildene, bare beskjære dem til riktig størrelse.Kreditt må brukes ved kopiering av bilder;"MIT" kreditt for bilder med mindre det er angitt nedenfor.
En ny varmebehandling utviklet ved MIT endrer mikrostrukturen til 3D-trykte metaller, og gjør materialet sterkere og mer motstandsdyktig mot ekstreme termiske forhold.Denne teknologien kan muliggjøre 3D-utskrift av høyytelsesblader og skovler for gassturbiner og jetmotorer som genererer elektrisitet, noe som muliggjør nye design for å redusere drivstofforbruk og energieffektivitet.
Dagens gassturbinblader er laget ved hjelp av en tradisjonell støpeprosess der smeltet metall helles i komplekse former og størknes retningsbestemt.Disse komponentene er laget av noen av de mest varmebestandige metallegeringene på planeten, ettersom de er designet for å spinne ved høye hastigheter i ekstremt varme gasser, trekke ut arbeid for å generere elektrisitet i kraftverk og gi skyvekraft til jetmotorer.
Det er en økende interesse for produksjon av turbinblader ved hjelp av 3D-printing, som i tillegg til miljømessige og økonomiske fordeler, gjør at produsenter raskt kan produsere blader med mer komplekse og energieffektive geometrier.Men innsatsen for å 3D-printe turbinblader har ennå ikke overvunnet ett stort hinder: kryp.
I metallurgi forstås kryp som et metalls tendens til irreversibelt deformering under konstant mekanisk påkjenning og høy temperatur.Mens forskerne undersøkte muligheten for å skrive ut turbinblader, fant de ut at utskriftsprosessen produserer fine korn som varierer i størrelse fra titalls til hundrevis av mikrometer - en mikrostruktur som er spesielt utsatt for krypning.
"I praksis betyr dette at gassturbinen vil ha kortere levetid eller være mindre økonomisk," sa Zachary Cordero, Boeing-professor i romfart ved MIT."Dette er kostbare dårlige resultater."
Cordero og kolleger har funnet en måte å forbedre strukturen til 3D-trykte legeringer ved å legge til et ekstra varmebehandlingstrinn som gjør de fine kornene i det trykte materialet til større "søyleformede" korn – en sterkere mikrostruktur som minimerer materialets krypepotensial.materiale fordi "søylene" er på linje med aksen for maksimal spenning.Tilnærmingen skissert i dag i Additive Manufacturing baner vei for industriell 3D-utskrift av gassturbinblader, sier forskerne.
"I nær fremtid forventer vi at gassturbinprodusenter vil skrive ut bladene sine i storskala additivproduksjonsanlegg og deretter etterbehandle dem ved å bruke vår varmebehandling," sa Cordero."3D-utskrift vil muliggjøre nye kjølearkitekturer som kan øke den termiske effektiviteten til turbiner, slik at de kan produsere samme mengde kraft mens de brenner mindre drivstoff og til slutt slipper ut mindre karbondioksid."
Corderos studie ble medforfatter av hovedforfatterne Dominic Pichi, Christopher Carter og Andres Garcia-Jiménez fra Massachusetts Institute of Technology, Anugrahapradha Mukundan og Marie-Agatha Sharpan fra University of Illinois i Urbana-Champaign, og Donovan Leonard fra Oak Ridge National Laboratory.
Teamets nye metode er en form for retningsbestemt rekrystallisering, en varmebehandling som beveger materiale gjennom en varm sone med en nøyaktig kontrollert hastighet, og smelter sammen mange mikroskopiske korn av materialet til større, sterkere, mer ensartede krystaller.
Retningsbestemt rekrystallisering ble oppfunnet for over 80 år siden og brukt på deformerbare materialer.I sin nye studie har et MIT-team brukt rettet rekrystallisering på 3D-trykte superlegeringer.
Teamet testet denne metoden på 3D-trykte nikkelbaserte superlegeringer, metaller som vanligvis støpes og brukes i gassturbiner.I en serie eksperimenter plasserte forskerne 3D-printede prøver av stavlignende superlegeringer i et romtemperaturvannbad rett under en induksjonsspole.De trakk sakte hver stang ut av vannet og førte den gjennom en spole med forskjellige hastigheter, og varmet stavene betydelig opp til temperaturer fra 1200 til 1245 grader Celsius.
De fant at å trekke i stangen med en viss hastighet (2,5 millimeter i timen) og ved en viss temperatur (1235 grader Celsius) skaper en bratt temperaturgradient som utløser en overgang i den finkornede mikrostrukturen til utskriftsmediet.
"Materialet starter som små partikler med defekter kalt dislokasjoner, som ødelagt spaghetti," forklarte Cordero.«Når du varmer opp materialet, forsvinner disse defektene og bygger seg opp igjen, og kornene kan vokse.korn ved å absorbere defekt materiale og mindre korn – en prosess som kalles rekrystallisering.»
Etter å ha avkjølt de varmebehandlede stengene, undersøkte forskerne mikrostrukturen deres ved hjelp av optiske og elektronmikroskoper og fant ut at de påtrykte mikroskopiske kornene i materialet ble erstattet av "søyleformede" korn, eller lange, krystalllignende områder som var mye større enn originalen. korn..
"Vi har fullstendig omstrukturert," sa hovedforfatter Dominic Peach."Vi viser at vi kan øke kornstørrelsen med flere størrelsesordener for å danne et stort antall søyleformede korn, noe som teoretisk sett skulle føre til en betydelig forbedring av krypeegenskaper."
Teamet viste også at de kunne kontrollere trekkhastigheten og temperaturen til stavprøvene for å finjustere de voksende kornene i materialet, og skape områder med spesifikk kornstørrelse og orientering.Dette nivået av kontroll kan tillate produsenter å skrive ut turbinblader med stedsspesifikke mikrostrukturer som kan skreddersys til spesifikke driftsforhold, sier Cordero.
Cordero planlegger å teste varmebehandlingen av 3D-printede deler nærmere turbinbladene.Teamet ser også på måter å akselerere strekkstyrken på, i tillegg til å teste krypemotstanden til varmebehandlede strukturer.De spekulerer deretter i at varmebehandling kan muliggjøre praktisk anvendelse av 3D-utskrift for å produsere industrielle turbinblader med mer komplekse former og mønstre.
"De nye bladene og bladgeometrien vil gjøre landbaserte gassturbiner og, til syvende og sist, flymotorer mer energieffektive," sa Cordero."Fra et grunnleggende perspektiv kan dette redusere CO2-utslipp ved å forbedre effektiviteten til disse enhetene."
Innleggstid: 15. november 2022
