Neprofitne organizacije, mediji i javnost mogu preuzimati slike s web stranice Tiskovnog ureda MIT-a pod nekomercijalnom, nederiviranom licencom Creative Commons Attribution.Ne smijete mijenjati ponuđene slike, samo ih izrežite na ispravnu veličinu.Za kopiranje slika moraju se koristiti krediti;“MIT” kredit za slike osim ako nije navedeno u nastavku.
Nova toplinska obrada razvijena na MIT-u mijenja mikrostrukturu 3D tiskanih metala, čineći materijal jačim i otpornijim na ekstremne toplinske uvjete.Ova bi tehnologija mogla omogućiti 3D ispis lopatica i lopatica visokih performansi za plinske turbine i mlazne motore koji proizvode električnu energiju, omogućujući nove dizajne za smanjenje potrošnje goriva i energetske učinkovitosti.
Današnje lopatice plinske turbine izrađuju se tradicionalnim postupkom lijevanja u kojem se rastaljeni metal izlijeva u složene oblike i usmjereno skrućuje.Ove komponente izrađene su od nekih od metalnih legura najotpornijih na toplinu na planetu, jer su dizajnirane da se vrte velikom brzinom u ekstremno vrućim plinovima, izvlačeći rad za proizvodnju električne energije u elektranama i osiguravajući potisak za mlazne motore.
Sve je veći interes za proizvodnju turbinskih lopatica 3D printanjem, što uz ekološke i ekonomske koristi proizvođačima omogućuje brzu proizvodnju lopatica složenije i energetski učinkovitije geometrije.Ali napori za 3D ispis lopatica turbine tek trebaju prevladati 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 tiskanja turbinskih lopatica, otkrili su da proces tiskanja proizvodi fina zrnca veličine od desetaka do stotina mikrometara - mikrostruktura koja je posebno sklona puzanju.
"U praksi to znači da će plinska turbina imati kraći vijek trajanja ili biti manje ekonomična", rekao je Zachary Cordero, Boeingov profesor zrakoplovstva na MIT-u."Ovo su skupi loši rezultati."
Cordero i njegovi kolege pronašli su način da poboljšaju strukturu 3D ispisanih legura dodavanjem dodatnog koraka toplinske obrade koji fina zrna tiskanog materijala pretvara u veća "stupačasta" zrna - jaču mikrostrukturu koja smanjuje potencijal puzanja materijala.materijala jer su "stupovi" poravnati s osi najvećeg naprezanja.Pristup predstavljen danas u Aditivnoj proizvodnji utire put industrijskom 3D ispisu lopatica plinskih turbina, kažu istraživači.
"U bliskoj budućnosti očekujemo da će proizvođači plinskih turbina tiskati svoje lopatice u velikim pogonima za proizvodnju aditiva i zatim ih naknadno obraditi pomoću naše toplinske obrade", rekao je Cordero."3D ispis omogućit će nove rashladne arhitekture koje mogu povećati toplinsku učinkovitost turbina, omogućujući im da proizvedu istu količinu energije dok sagorijevaju manje goriva i u konačnici ispuštaju manje ugljičnog dioksida."
Corderovu studiju koautori su vodeći autori Dominic Pichi, Christopher Carter i Andres Garcia-Jiménez s Massachusetts Institute of Technology, Anugrahapradha Mukundan i Marie-Agatha Sharpan sa Sveučilišta Illinois u Urbana-Champaignu i Donovan Leonard iz Oaka Nacionalni laboratorij Ridge.
Nova metoda tima je oblik usmjerene rekristalizacije, toplinske obrade koja pomiče materijal kroz vruću zonu precizno kontroliranom brzinom, stapajući mnoga mikroskopska zrnca materijala u veće, jače, ujednačenije kristale.
Usmjerena rekristalizacija izumljena je prije više od 80 godina i primijenjena na deformabilne materijale.U svojoj novoj studiji, tim MIT-a primijenio je usmjerenu rekristalizaciju na 3D tiskane superlegure.
Tim je testirao ovu metodu na 3D tiskanim superlegurama na bazi nikla, metalima koji se obično lijevaju i koriste u plinskim turbinama.U nizu eksperimenata, istraživači su stavili 3D ispisane uzorke štapićastih superlegura u vodenu kupelj sobne temperature izravno ispod indukcijske zavojnice.Polako su izvukli svaku šipku iz vode i provukli je kroz zavojnicu različitim brzinama, značajno zagrijavajući šipke na temperature u rasponu od 1200 do 1245 stupnjeva Celzijusa.
Otkrili su da povlačenje šipke pri određenoj brzini (2,5 milimetara na sat) i pri određenoj temperaturi (1235 stupnjeva Celzijusa) stvara strmi temperaturni gradijent koji pokreće prijelaz u fino zrnatoj mikrostrukturi medija za ispis.
"Materijal počinje kao male čestice s defektima koji se nazivaju dislokacije, poput slomljenih špageta", objasnio je Cordero.“Kada zagrijavate materijal, ti nedostaci nestaju i ponovno se grade, a zrnca mogu rasti.zrnaca apsorbiranjem neispravnog materijala i manjih zrna—proces koji se naziva rekristalizacija.”
Nakon hlađenja toplinski obrađenih šipki, istraživači su ispitali njihovu mikrostrukturu pomoću optičkih i elektronskih mikroskopa i otkrili da su utisnuta mikroskopska zrnca materijala zamijenjena "stupastim" zrncima ili dugim područjima nalik na kristale koja su bila mnogo veća od izvornih žitarica..
"Potpuno smo se restrukturirali", rekao je glavni autor Dominic Peach."Pokazujemo 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 šipki kako bi fino podesili rastuća zrna materijala, stvarajući područja specifične veličine i orijentacije zrna.Ova razina kontrole mogla bi omogućiti proizvođačima da tiskaju turbinske lopatice s mikrostrukturama specifičnim za mjesto koje se mogu prilagoditi specifičnim radnim uvjetima, kaže Cordero.
Cordero planira testirati toplinsku obradu 3D tiskanih dijelova bliže lopaticama turbine.Tim također traži načine za povećanje vlačne čvrstoće kao i ispitivanje otpornosti na puzanje toplinski obrađenih struktura.Zatim nagađaju da bi toplinska obrada mogla omogućiti praktičnu primjenu 3D ispisa za proizvodnju industrijskih turbinskih lopatica složenijih oblika i uzoraka.
"Nove lopatice i geometrija lopatica učinit će kopnene plinske turbine i, u konačnici, zrakoplovne motore energetski učinkovitijima", rekao je Cordero."Iz osnovne perspektive, ovo bi moglo smanjiti emisije CO2 poboljšanjem učinkovitosti ovih uređaja."
Vrijeme objave: 15. studenog 2022
