Организациите с нестопанска цел, медиите и обществеността могат да изтеглят изображения от уебсайта на пресслужбата на MIT под некомерсиалния, непроизводен лиценз Creative Commons Attribution.Не трябва да променяте предоставените изображения, а само да ги изрежете до правилния размер.При копиране на изображения трябва да се използват кредити;Кредит „MIT“ за изображения, освен ако не е отбелязано по-долу.
Нова термична обработка, разработена в MIT, променя микроструктурата на 3D отпечатаните метали, правейки материала по-здрав и по-устойчив на екстремни термични условия.Тази технология може да даде възможност за 3D отпечатване на високоефективни лопатки и лопатки за газови турбини и реактивни двигатели, които генерират електричество, позволявайки нови дизайни за намаляване на разхода на гориво и енергийната ефективност.
Днешните лопатки на газови турбини се изработват чрез традиционен процес на леене, при който разтопеният метал се излива в сложни форми и се втвърдява насочено.Тези компоненти са направени от едни от най-устойчивите на топлина метални сплави на планетата, тъй като са проектирани да се въртят с високи скорости в изключително горещи газове, извличайки работа за генериране на електричество в електроцентрали и осигуряване на тяга за реактивни двигатели.
Нараства интересът към производството на турбинни лопатки чрез 3D принтиране, което освен екологични и икономически ползи, позволява на производителите бързо да произвеждат лопатки с по-сложни и енергийно ефективни геометрии.Но усилията за 3D отпечатване на турбинни перки все още не са преодолели едно голямо препятствие: пълзенето.
В металургията пълзенето се разбира като тенденцията на метала да се деформира необратимо при постоянно механично напрежение и висока температура.Докато изследователите проучват възможността за отпечатване на турбинни лопатки, те откриват, че процесът на отпечатване произвежда фини зърна с размери от десетки до стотици микрометри - микроструктура, която е особено склонна към пълзене.
„На практика това означава, че газовата турбина ще има по-кратък живот или ще бъде по-малко икономична“, каза Закари Кордеро, професор по космонавтика на Boeing в MIT.„Това са скъпи лоши резултати.“
Кордеро и колегите му са намерили начин да подобрят структурата на 3D отпечатаните сплави чрез добавяне на допълнителна стъпка на топлинна обработка, която превръща фините зърна на отпечатания материал в по-големи „колонови“ зърна – по-здрава микроструктура, която минимизира потенциала на пълзене на материала.материал, защото „стълбовете“ са подравнени с оста на максимално напрежение.Подходът, очертан днес в Aditive Manufacturing, проправя пътя за промишлен 3D печат на лопатки на газови турбини, казват изследователите.
„В близко бъдеще очакваме производителите на газови турбини да отпечатат своите лопатки в широкомащабни заводи за производство на добавки и след това да ги обработят с помощта на нашата топлинна обработка“, каза Кордеро.„3D принтирането ще даде възможност за нови охлаждащи архитектури, които могат да увеличат топлинната ефективност на турбините, позволявайки им да произвеждат същото количество енергия, докато изгарят по-малко гориво и в крайна сметка отделят по-малко въглероден диоксид.“
Проучването на Кордеро е съавтор на водещите автори Доминик Пичи, Кристофър Картър и Андрес Гарсия-Хименез от Масачузетския технологичен институт, Ануграхапрада Мукундан и Мари-Агата Шарпан от Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн и Донован Леонард от Oak Национална лаборатория Ридж.
Новият метод на екипа е форма на насочена рекристализация, термична обработка, която движи материала през гореща зона с точно контролирана скорост, сливайки много микроскопични зърна от материала в по-големи, по-здрави и по-равномерни кристали.
Насочената рекристализация е изобретена преди повече от 80 години и е приложена към деформируеми материали.В новото си проучване екип от MIT е приложил насочена рекристализация към 3D отпечатани суперсплави.
Екипът тества този метод върху 3D отпечатани суперсплави на базата на никел, метали, които обикновено се леят и използват в газови турбини.В поредица от експерименти изследователите поставиха 3D отпечатани проби от прътовидни суперсплави във водна баня със стайна температура директно под индукционна намотка.Те бавно извадиха всяка пръчка от водата и я прекараха през намотка с различни скорости, значително нагрявайки пръчките до температури, вариращи от 1200 до 1245 градуса по Целзий.
Те откриха, че издърпването на пръта с определена скорост (2,5 милиметра на час) и при определена температура (1235 градуса по Целзий) създава стръмен температурен градиент, който задейства преход във финозърнестата микроструктура на печатната медия.
„Материалът започва като малки частици с дефекти, наречени дислокации, като счупени спагети“, обясни Кордеро.„Когато нагрявате материала, тези дефекти изчезват и се възстановяват, а зърната могат да растат.зърна чрез абсорбиране на дефектен материал и по-малки зърна - процес, наречен прекристализация.
След охлаждане на термично обработените пръчки, изследователите изследват тяхната микроструктура с помощта на оптични и електронни микроскопи и откриват, че отпечатаните микроскопични зърна на материала са заменени от „колонови“ зърна или дълги, подобни на кристали области, които са много по-големи от оригинала зърна..
„Ние напълно се преструктурирахме“, каза водещият автор Доминик Пийч.„Ние показваме, че можем да увеличим размера на зърното с няколко порядъка, за да образуваме голям брой колонни зърна, което теоретично трябва да доведе до значително подобрение на свойствата на пълзене.“
Екипът показа също, че могат да контролират скоростта на издърпване и температурата на пробите от пръти, за да настроят фино растящите зърна на материала, създавайки региони със специфичен размер на зърното и ориентация.Това ниво на контрол може да позволи на производителите да отпечатват турбинни лопатки със специфични за обекта микроструктури, които могат да бъдат пригодени към специфични работни условия, казва Кордеро.
Cordero планира да тества термичната обработка на 3D отпечатани части по-близо до лопатките на турбината.Екипът също търси начини за ускоряване на якостта на опън, както и за тестване на устойчивостта на пълзене на термично обработени структури.След това те спекулират, че термичната обработка може да позволи практическото приложение на 3D принтирането за производство на промишлени турбинни лопатки с по-сложни форми и шарки.
„Новите лопатки и геометрията на лопатките ще направят наземните газови турбини и в крайна сметка самолетните двигатели по-енергийно ефективни“, каза Кордеро.„От базова гледна точка това може да намали емисиите на CO2 чрез подобряване на ефективността на тези устройства.“
Време на публикуване: 15 ноември 2022 г
