Ideella organisationer, media och allmänheten kan ladda ner bilder från MIT Press Offices webbplats under Creative Commons Attribution icke-kommersiell, icke-derivatlicens.Du får inte ändra de medföljande bilderna, bara beskära dem till rätt storlek.Krediter måste användas vid kopiering av bilder;"MIT"-kredit för bilder om inget annat anges nedan.
En ny värmebehandling utvecklad vid MIT förändrar mikrostrukturen hos 3D-tryckta metaller, vilket gör materialet starkare och mer motståndskraftigt mot extrema termiska förhållanden.Denna teknik skulle kunna möjliggöra 3D-utskrift av högpresterande blad och blad för gasturbiner och jetmotorer som genererar elektricitet, vilket möjliggör nya konstruktioner för att minska bränsleförbrukningen och energieffektiviteten.
Dagens gasturbinblad tillverkas med en traditionell gjutprocess där smält metall hälls i komplexa former och riktningsstelna.Dessa komponenter är gjorda av några av de mest värmebeständiga metallegeringarna på planeten, eftersom de är designade för att snurra i höga hastigheter i extremt heta gaser, utvinna arbete för att generera elektricitet i kraftverk och ge dragkraft för jetmotorer.
Det finns ett växande intresse för produktion av turbinblad med 3D-utskrift, vilket, förutom miljömässiga och ekonomiska fördelar, gör att tillverkare snabbt kan producera blad med mer komplexa och energieffektiva geometrier.Men ansträngningarna att 3D-printa turbinblad har ännu inte övervunnit ett stort hinder: krypning.
Inom metallurgi förstås krypning som en metalls tendens att irreversibelt deformeras under konstant mekanisk påfrestning och hög temperatur.Medan forskarna undersökte möjligheten att skriva ut turbinblad fann de att utskriftsprocessen producerar fina korn i storlek från tiotals till hundratals mikrometer - en mikrostruktur som är särskilt benägen att krypa.
"I praktiken betyder det att gasturbinen kommer att ha en kortare livslängd eller vara mindre ekonomisk", säger Zachary Cordero, Boeing-professor i flyg- och rymdforskning vid MIT."Detta är kostsamma dåliga resultat."
Cordero och kollegor har hittat ett sätt att förbättra strukturen hos 3D-tryckta legeringar genom att lägga till ytterligare ett värmebehandlingssteg som förvandlar de fina kornen i det tryckta materialet till större "kolumnformiga" korn – en starkare mikrostruktur som minimerar materialets kryppotential.material eftersom "pelarna" är i linje med axeln för maximal spänning.Det tillvägagångssätt som beskrivs idag i Additive Manufacturing banar väg för industriell 3D-utskrift av gasturbinblad, säger forskarna.
"Inom en snar framtid förväntar vi oss att gasturbintillverkare kommer att skriva ut sina blad i storskaliga additivtillverkningsanläggningar och sedan efterbearbeta dem med vår värmebehandling," sa Cordero."3D-utskrift kommer att möjliggöra nya kylningsarkitekturer som kan öka turbinernas termiska effektivitet, vilket gör att de kan producera samma mängd kraft samtidigt som de förbränner mindre bränsle och i slutändan släpper ut mindre koldioxid."
Corderos studie var medförfattare av huvudförfattarna Dominic Pichi, Christopher Carter och Andres Garcia-Jiménez från Massachusetts Institute of Technology, Anugrahapradha Mukundan och Marie-Agatha Sharpan från University of Illinois i Urbana-Champaign och Donovan Leonard från Oaken. Ridge National Laboratory.
Teamets nya metod är en form av riktad omkristallisering, en värmebehandling som flyttar material genom en het zon med en exakt kontrollerad hastighet, och smälter samman många mikroskopiska korn av materialet till större, starkare, mer enhetliga kristaller.
Riktad omkristallisation uppfanns för över 80 år sedan och tillämpades på deformerbara material.I sin nya studie har ett MIT-team tillämpat riktad omkristallisering på 3D-tryckta superlegeringar.
Teamet testade denna metod på 3D-tryckta nickelbaserade superlegeringar, metaller som vanligtvis gjuts och används i gasturbiner.I en serie experiment placerade forskarna 3D-printade prover av stavliknande superlegeringar i ett rumstemperaturvattenbad direkt under en induktionsspole.De drog långsamt upp varje stav ur vattnet och förde den genom en spole med olika hastigheter, vilket avsevärt värmde stavarna till temperaturer från 1200 till 1245 grader Celsius.
De fann att att dra i staven med en viss hastighet (2,5 millimeter per timme) och vid en viss temperatur (1235 grader Celsius) skapar en brant temperaturgradient som utlöser en övergång i utskriftsmediets finkorniga mikrostruktur.
"Materialet börjar som små partiklar med defekter som kallas dislokationer, som trasig spagetti," förklarade Cordero.”När man värmer upp materialet försvinner dessa defekter och byggs upp igen och kornen kan växa.korn genom att absorbera defekt material och mindre korn - en process som kallas omkristallisering."
Efter att ha kylt de värmebehandlade stavarna undersökte forskarna deras mikrostruktur med hjälp av optiska mikroskop och elektronmikroskop och fann att de påtryckta mikroskopiska kornen i materialet ersattes av "kolonnformiga" korn, eller långa, kristallliknande områden som var mycket större än originalet korn..
"Vi har helt omstrukturerat", säger huvudförfattaren Dominic Peach."Vi visar att vi kan öka kornstorleken med flera storleksordningar för att bilda ett stort antal kolumnformiga korn, vilket teoretiskt borde leda till en betydande förbättring av krypegenskaper."
Teamet visade också att de kunde kontrollera draghastigheten och temperaturen på stavproverna för att finjustera de växande kornen i materialet, vilket skapar regioner med specifik kornstorlek och orientering.Denna nivå av kontroll kan tillåta tillverkare att skriva ut turbinblad med platsspecifika mikrostrukturer som kan skräddarsys för specifika driftsförhållanden, säger Cordero.
Cordero planerar att testa värmebehandlingen av 3D-printade delar närmare turbinbladen.Teamet undersöker också sätt att accelerera draghållfastheten samt testa krypmotståndet hos värmebehandlade strukturer.De spekulerar sedan i att värmebehandling kan möjliggöra praktisk tillämpning av 3D-utskrift för att producera industriella turbinblad med mer komplexa former och mönster.
"De nya bladen och bladgeometrin kommer att göra landbaserade gasturbiner och i slutändan flygplansmotorer mer energieffektiva", säger Cordero."Ur ett baslinjeperspektiv kan detta minska CO2-utsläppen genom att förbättra effektiviteten hos dessa enheter."
Posttid: 2022-nov-15
