Благодаря новой термической обработке 3D-печатные металлы могут выдерживать экстремальные условия

Главная » Маркетинг, Статьи » Благодаря новой термической обработке 3D-печатные металлы могут выдерживать экстремальные условия

Новая термическая обработка, разработанная в Массачусетском технологическом институте, преобразует микроскопическую структуру 3D-печатных металлов, делая их более прочными и устойчивыми к экстремальным температурным условиям. Эта технология может позволить 3D-печати высокоэффективных лопастей и лопаток для газовых турбин и реактивных двигателей, что позволит создать новые конструкции с улучшенным расходом топлива и энергоэффективностью.

Современные лопатки газовых турбин изготавливаются с помощью традиционных процессов литья, при которых расплавленный металл заливается в сложные формы и направленно застывает. Эти компоненты изготавливаются из одних из самых жаропрочных металлических сплавов на Земле, поскольку они предназначены для вращения на высоких скоростях в чрезвычайно горячем газе, извлекая работу для выработки электроэнергии на электростанциях и тяги в реактивных двигателях.

Растет интерес к производству турбинных лопаток с помощью 3D-печати, которая, помимо экологических и экономических преимуществ, может позволить производителям быстро изготавливать более сложные, энергоэффективные геометрии лопаток. Но усилиям по 3D-печати лопаток турбин еще предстоит преодолеть серьезное препятствие: ползучесть.

В металлургии ползучесть означает склонность металла к постоянной деформации под воздействием постоянного механического напряжения и высоких температур. Хотя исследователи изучали возможность печати лопаток турбин, они обнаружили, что в процессе печати образуются мелкие зерна размером от десятков до сотен микрон — микроструктура, которая особенно уязвима к ползучести.

«На практике это означает, что газовая турбина будет иметь меньший срок службы или меньшую топливную эффективность», — говорит Закари Кордеро, профессор кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Это дорогостоящие, нежелательные результаты».

Кордеро и его коллеги нашли способ улучшить структуру 3D-печатных сплавов, добавив дополнительный этап термообработки, который превращает мелкие зерна отпечатанного материала в гораздо более крупные «столбчатые» зерна — более прочную микроструктуру, которая должна минимизировать потенциал ползучести материала, поскольку «столбцы» выровнены по оси наибольшего напряжения. Исследователи утверждают, что метод, описанный сегодня в журнале Additive Manufacturing, открывает путь для промышленной 3D-печати лопаток газовых турбин.

«В ближайшем будущем мы предполагаем, что производители газовых турбин будут печатать свои лопатки и лопасти на крупных заводах по аддитивному производству, а затем обрабатывать их с помощью нашего метода термообработки», — говорит Кордеро. «3D-печать позволит создавать новые архитектуры охлаждения, которые могут повысить тепловую эффективность турбины, так что она будет производить столько же энергии, сжигая меньше топлива и выбрасывая меньше углекислого газа».

Соавторами Кордеро в исследовании являются ведущий автор Доминик Пичи, Кристофер Картер и Андрес Гарсия-Хименес из Массачусетского технологического института, Ануграхапрада Мукундан и Мари-Агат Шарпань из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн и Донован Леонард из Ок-Риджской национальной лаборатории.

Запуск трансформации

Новый метод команды представляет собой форму направленной рекристаллизации — термической обработки, при которой материал проходит через горячую зону с точно контролируемой скоростью, чтобы соединить множество микроскопических зерен материала в более крупные, прочные и однородные кристаллы.

Направленная рекристаллизация была изобретена более 80 лет назад и применялась для обработки деформируемых материалов. В своем новом исследовании команда Массачусетского технологического института адаптировала направленную рекристаллизацию для 3D-печати суперсплавов.

Команда протестировала метод на 3D-печатных суперсплавах на основе никеля — металлах, которые обычно отливаются и используются в газовых турбинах. В ходе серии экспериментов исследователи поместили 3D-печатные образцы суперсплавов в форме стержней в водяную баню комнатной температуры, расположенную непосредственно под индукционной катушкой. Они медленно вытягивали каждый стержень из воды и пропускали через катушку с различной скоростью, резко нагревая стержни до температуры от 1 200 до 1 245 градусов Цельсия.

Они обнаружили, что протягивание стержней с определенной скоростью (2,5 миллиметра в час) и при определенной температуре (1235 градусов Цельсия) создает крутой тепловой градиент, который вызывает трансформацию печатной, мелкозернистой микроструктуры материала.

«Материал начинается как маленькие зерна с дефектами, называемыми дислокациями, которые похожи на искореженные спагетти», — объясняет Кордеро. «Когда вы нагреваете этот материал, эти дефекты могут аннигилировать и изменить конфигурацию, и зерна могут расти. Мы постоянно удлиняем зерна, поглощая дефектный материал и меньшие зерна — процесс, называемый рекристаллизацией».

Ползучесть

После охлаждения термообработанных стержней исследователи изучили их микроструктуру с помощью оптической и электронной микроскопии и обнаружили, что печатные микроскопические зерна материала были заменены «столбчатыми» зернами, или длинными кристаллоподобными областями, которые были значительно больше исходных зерен.

«Мы полностью изменили структуру», — говорит ведущий автор исследования Доминик Пичи. «Мы показали, что можем увеличить размер зерна на порядки, до массивных столбчатых зерен, что теоретически должно привести к значительному улучшению свойств при ползучести».

Команда также показала, что может манипулировать скоростью вытягивания и температурой стержневых образцов для регулирования растущих зерен материала, создавая области с определенным размером и ориентацией зерен. Такой уровень контроля, говорит Кордеро, может позволить производителям печатать лопатки турбин с конкретными микроструктурами, устойчивыми к определенным условиям эксплуатации.

Кордеро планирует протестировать термообработку на 3D-печатных геометриях, более похожих на лопатки турбин. Команда также изучает способы ускорения скорости вытяжки, а также проверяет устойчивость термообработанной структуры к ползучести. Затем, по их мнению, термообработка может позволить практическое применение 3D-печати для производства турбинных лопаток промышленного уровня с более сложными формами и узорами.

«Новые геометрии лопаток и лопастей позволят создать более энергоэффективные наземные газовые турбины, а также, в конечном итоге, авиационные двигатели», — отмечает Кордеро. «Это может привести к снижению выбросов двуокиси углерода в атмосферу только за счет повышения эффективности этих устройств.»