Non-profit organisationer, medierne og offentligheden kan downloade billeder fra MIT Press Offices hjemmeside under Creative Commons Attribution ikke-kommerciel, ikke-afledt licens.Du må ikke ændre de medfølgende billeder, kun beskære dem til den korrekte størrelse.Kreditering skal bruges ved kopiering af billeder;"MIT" kredit for billeder, medmindre det er angivet nedenfor.
En ny varmebehandling udviklet på MIT ændrer mikrostrukturen af 3D-printede metaller, hvilket gør materialet stærkere og mere modstandsdygtigt over for ekstreme termiske forhold.Denne teknologi kan muliggøre 3D-print af højtydende vinger og skovle til gasturbiner og jetmotorer, der genererer elektricitet, hvilket muliggør nye designs til at reducere brændstofforbruget og energieffektiviteten.
Dagens gasturbinevinger er fremstillet ved hjælp af en traditionel støbeproces, hvor smeltet metal hældes i komplekse former og retningsbestemt størknet.Disse komponenter er lavet af nogle af de mest varmebestandige metallegeringer på planeten, da de er designet til at rotere ved høje hastigheder i ekstremt varme gasser, udvinde arbejde for at generere elektricitet i kraftværker og give kraft til jetmotorer.
Der er en stigende interesse for produktion af turbinevinger ved hjælp af 3D-print, som udover miljømæssige og økonomiske fordele giver producenterne mulighed for hurtigt at producere vinger med mere komplekse og energieffektive geometrier.Men bestræbelserne på at 3D-printe turbinevinger har endnu ikke overvundet én stor forhindring: krybning.
I metallurgi forstås krybning som et metals tendens til irreversibelt at deformeres under konstant mekanisk belastning og høj temperatur.Mens forskerne undersøgte muligheden for at udskrive turbineblade, fandt de ud af, at udskrivningsprocessen producerer fine korn, der varierer i størrelse fra ti til hundredvis af mikrometer - en mikrostruktur, der er særlig tilbøjelig til at krybe.
"I praksis betyder det, at gasturbinen vil have en kortere levetid eller være mindre økonomisk," sagde Zachary Cordero, Boeing-professor i rumfart ved MIT."Det er dyre dårlige resultater."
Cordero og kolleger har fundet en måde at forbedre strukturen af 3D-printede legeringer ved at tilføje et ekstra varmebehandlingstrin, der forvandler de fine korn af det trykte materiale til større "søjleformede" korn – en stærkere mikrostruktur, der minimerer materialets krybepotentiale.materiale, fordi "søjlerne" er på linje med aksen for maksimal spænding.Den tilgang, der er skitseret i dag i Additive Manufacturing, baner vejen for industriel 3D-printning af gasturbinevinger, siger forskerne.
"I den nærmeste fremtid forventer vi, at gasturbineproducenter udskriver deres vinger i storstilede additivfabrikker og derefter efterbehandler dem ved hjælp af vores varmebehandling," sagde Cordero."3D-print vil muliggøre nye kølearkitekturer, der kan øge den termiske effektivitet af turbiner, så de kan producere den samme mængde strøm, mens de forbrænder mindre brændstof og i sidste ende udsender mindre kuldioxid."
Corderos undersøgelse var medforfatter af 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.
Holdets nye metode er en form for retningsbestemt omkrystallisation, en varmebehandling, der flytter materiale gennem en varm zone med en præcis kontrolleret hastighed, og smelter mange mikroskopiske korn af materialet sammen til større, stærkere, mere ensartede krystaller.
Retningsbestemt omkrystallisation blev opfundet for over 80 år siden og anvendt på deformerbare materialer.I deres nye undersøgelse har et MIT-team anvendt rettet omkrystallisation på 3D-printede superlegeringer.
Holdet testede denne metode på 3D-printede nikkel-baserede superlegeringer, metaller, der almindeligvis er støbt og brugt i gasturbiner.I en række eksperimenter placerede forskerne 3D-printede prøver af stavlignende superlegeringer i et stuetemperatur vandbad direkte under en induktionsspole.De trak langsomt hver stang ud af vandet og førte den gennem en spole ved forskellige hastigheder, hvilket væsentligt opvarmede stængerne til temperaturer fra 1200 til 1245 grader Celsius.
De fandt ud af, at træk i stangen med en bestemt hastighed (2,5 millimeter i timen) og ved en bestemt temperatur (1235 grader Celsius) skaber en stejl temperaturgradient, der udløser en overgang i den finkornede mikrostruktur af printmediet.
"Materialet starter som små partikler med defekter kaldet dislokationer, som ødelagt spaghetti," forklarede Cordero.”Når man opvarmer materialet, forsvinder disse defekter og genopbygges, og kornene kan vokse.korn ved at absorbere defekt materiale og mindre korn - en proces kaldet rekrystallisering."
Efter afkøling af de varmebehandlede stænger undersøgte forskerne deres mikrostruktur ved hjælp af optiske mikroskoper og elektronmikroskoper og fandt ud af, at de påtrykte mikroskopiske korn af materialet blev erstattet af "søjleformede" korn eller lange, krystallignende områder, der var meget større end de originale. korn..
"Vi har fuldstændig omstruktureret," sagde hovedforfatter Dominic Peach."Vi viser, at vi kan øge kornstørrelsen med flere størrelsesordener for at danne et stort antal søjleformede korn, hvilket teoretisk set skulle føre til en væsentlig forbedring af krybeegenskaberne."
Holdet viste også, at de kunne kontrollere trækhastigheden og temperaturen af stangprøverne for at finjustere de voksende korn af materialet og skabe områder med specifik kornstørrelse og orientering.Dette niveau af kontrol kunne give producenterne mulighed for at udskrive turbinevinger med stedspecifikke mikrostrukturer, der kan skræddersyes til specifikke driftsforhold, siger Cordero.
Cordero planlægger at teste varmebehandlingen af 3D-printede dele tættere på turbinevingerne.Holdet undersøger også måder at accelerere trækstyrken på samt teste krybemodstanden af varmebehandlede strukturer.Derefter spekulerer de i, at varmebehandling kan muliggøre den praktiske anvendelse af 3D-print til at producere vindmøllevinger i industriel kvalitet med mere komplekse former og mønstre.
"De nye vinger og vingegeometri vil gøre landbaserede gasturbiner og i sidste ende flymotorer mere energieffektive," sagde Cordero."Fra et basisperspektiv kan dette reducere CO2-emissionerne ved at forbedre effektiviteten af disse enheder."
Indlægstid: 15. nov. 2022
