Некоммерческие организации, средства массовой информации и общественность могут загружать изображения с веб-сайта пресс-службы Массачусетского технологического института в соответствии с некоммерческой непроизводной лицензией Creative Commons Attribution.Вы не должны изменять предоставленные изображения, только обрезать их до нужного размера.При копировании изображений необходимо использовать кредиты;Кредит «MIT» для изображений, если не указано иное ниже.
Новая термообработка, разработанная в Массачусетском технологическом институте, изменяет микроструктуру 3D-печатных металлов, делая материал более прочным и устойчивым к экстремальным тепловым условиям.Эта технология может обеспечить 3D-печать высокопроизводительных лопаток и лопастей для газовых турбин и реактивных двигателей, вырабатывающих электроэнергию, что позволит создавать новые конструкции для снижения расхода топлива и энергоэффективности.
Сегодняшние лопатки газовых турбин изготавливаются с использованием традиционного процесса литья, при котором расплавленный металл заливается в сложные формы и направленно затвердевает.Эти компоненты изготовлены из одних из самых жаропрочных металлических сплавов на планете, поскольку они предназначены для вращения на высоких скоростях в чрезвычайно горячих газах, извлекая работу для выработки электроэнергии на электростанциях и обеспечения тяги для реактивных двигателей.
Растет интерес к производству турбинных лопаток с помощью 3D-печати, которая, помимо экологических и экономических преимуществ, позволяет производителям быстро изготавливать лопатки более сложной и энергоэффективной геометрии.Но усилиям по 3D-печати лопаток турбины еще предстоит преодолеть одно большое препятствие: ползучесть.
В металлургии под ползучестью понимают склонность металла к необратимой деформации при постоянном механическом воздействии и высокой температуре.Пока исследователи изучали возможность печати лопаток турбины, они обнаружили, что в процессе печати образуются мелкие зерна размером от десятков до сотен микрометров — микроструктура, которая особенно склонна к ползучести.
«На практике это означает, что газовая турбина будет иметь более короткий срок службы или будет менее экономичной», — сказал Закари Кордеро, профессор аэрокосмической отрасли Boeing в Массачусетском технологическом институте.«Это дорогостоящие плохие результаты».
Кордеро и его коллеги нашли способ улучшить структуру 3D-печатных сплавов, добавив дополнительный этап термообработки, который превращает мелкие зерна печатного материала в более крупные «столбчатые» зерна — более прочную микроструктуру, сводящую к минимуму потенциал ползучести материала.материал, потому что «столбы» выровнены с осью максимального напряжения.По словам исследователей, подход, изложенный сегодня в Аддитивном производстве, прокладывает путь для промышленной 3D-печати лопаток газовых турбин.
«Мы ожидаем, что в ближайшем будущем производители газовых турбин будут печатать свои лопатки на крупных заводах по производству добавок, а затем подвергать их последующей обработке с использованием нашей термообработки», — сказал Кордеро.«3D-печать позволит создать новую архитектуру охлаждения, которая может повысить тепловую эффективность турбин, позволяя им производить такое же количество энергии, сжигая меньше топлива и, в конечном итоге, выбрасывая меньше углекислого газа».
В исследовании Кордеро участвовали ведущие авторы Доминик Пичи, Кристофер Картер и Андрес Гарсия-Хименес из Массачусетского технологического института, Ануграхапрадха Мукундан и Мари-Агата Шарпан из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, а также Донован Леонард из Дуба. Риджская национальная лаборатория.
Новый метод команды представляет собой форму направленной рекристаллизации, термической обработки, при которой материал перемещается через горячую зону с точно контролируемой скоростью, сплавляя множество микроскопических зерен материала в более крупные, прочные и однородные кристаллы.
Направленная рекристаллизация была изобретена более 80 лет назад и применялась к деформируемым материалам.В своем новом исследовании команда Массачусетского технологического института применила направленную рекристаллизацию к суперсплавам, напечатанным на 3D-принтере.
Команда протестировала этот метод на 3D-печатных суперсплавах на основе никеля, металлах, обычно отливаемых и используемых в газовых турбинах.В серии экспериментов исследователи поместили напечатанные на 3D-принтере образцы стержнеобразных суперсплавов в водяную баню комнатной температуры непосредственно под индукционной катушкой.Они медленно вытягивали каждый стержень из воды и пропускали его через катушку с разной скоростью, значительно нагревая стержни до температур от 1200 до 1245 градусов по Цельсию.
Они обнаружили, что вытягивание стержня с определенной скоростью (2,5 миллиметра в час) и при определенной температуре (1235 градусов Цельсия) создает резкий температурный градиент, который запускает переход в мелкозернистой микроструктуре печатного носителя.
«Материал начинается с мелких частиц с дефектами, называемыми дислокациями, вроде сломанных спагетти», — объяснил Кордеро.«Когда вы нагреваете материал, эти дефекты исчезают и перестраиваются, а зерна могут расти.зерна путем поглощения дефектного материала и более мелких зерен — процесс, называемый рекристаллизацией».
После охлаждения термообработанных стержней исследователи изучили их микроструктуру с помощью оптического и электронного микроскопов и обнаружили, что отпечатанные микроскопические зерна материала были заменены «столбчатыми» зернами или длинными кристаллоподобными областями, которые были намного больше исходных. зерна..
«Мы полностью реструктурировали», — сказал ведущий автор Доминик Пич.«Мы показываем, что можем увеличить размер зерна на несколько порядков, чтобы сформировать большое количество столбчатых зерен, что теоретически должно привести к значительному улучшению свойств ползучести».
Команда также показала, что они могут контролировать скорость вытягивания и температуру образцов стержней, чтобы точно настроить растущие зерна материала, создавая области определенного размера и ориентации зерен.По словам Кордеро, этот уровень контроля может позволить производителям печатать лопатки турбин с микроструктурой, характерной для конкретного объекта, которая может быть адаптирована к конкретным условиям эксплуатации.
Кордеро планирует протестировать термообработку напечатанных на 3D-принтере деталей ближе к лопаткам турбины.Команда также ищет способы увеличить предел прочности при растяжении, а также тестирует сопротивление ползучести термообработанных конструкций.Затем они предполагают, что термообработка может позволить практическое применение 3D-печати для производства лопаток турбин промышленного класса с более сложными формами и рисунками.
«Новые лопасти и геометрия лопастей сделают наземные газовые турбины и, в конечном счете, авиационные двигатели более энергоэффективными», — сказал Кордеро.«С точки зрения базовой линии это могло бы сократить выбросы CO2 за счет повышения эффективности этих устройств».
Время публикации: 15 ноября 2022 г.
