Завдяки новій термічній обробці 3D-друковані метали можуть витримувати екстремальні умови

Главная » Маркетинг, Статті » Завдяки новій термічній обробці 3D-друковані метали можуть витримувати екстремальні умови

Нова термічна обробка, розроблена в Массачусетському технологічному інституті, перетворює мікроскопічну структуру 3D-друкованих металів, роблячи їх більш міцними і стійкими до екстремальних температурних умов. Ця технологія може дозволити 3D-друк високоефективних лопатей і лопаток для газових турбін і реактивних двигунів, що дасть змогу створити нові конструкції з поліпшеною витратою палива та енергоефективністю.

Сучасні лопатки газових турбін виготовляють за допомогою традиційних процесів лиття, під час яких розплавлений метал заливають у складні форми, і він направлено застигає. Ці компоненти виготовляються з одних із найбільш жароміцних металевих сплавів на Землі, оскільки вони призначені для обертання на високих швидкостях у надзвичайно гарячому газі, отримуючи роботу для вироблення електроенергії на електростанціях і тяги в реактивних двигунах.

Зростає інтерес до виробництва турбінних лопаток за допомогою 3D-друку, який, окрім екологічних та економічних переваг, може дати змогу виробникам швидко виготовляти більш складні, енергоефективні геометрії лопаток. Але зусиллям з 3D-друку лопаток турбін ще належить подолати серйозну перешкоду: повзучість.

У металургії повзучість означає схильність металу до постійної деформації під впливом постійної механічної напруги і високих температур. Хоча дослідники вивчали можливість друку лопаток турбін, вони виявили, що в процесі друку утворюються дрібні зерна розміром від десятків до сотень мікрон – мікроструктура, яка особливо вразлива до повзучості.

“На практиці це означає, що газова турбіна матиме менший термін служби або меншу паливну ефективність”, – каже Закарі Кордеро, професор кафедри аеронавтики та астронавтики Массачусетського технологічного інституту. “Це дорогі, небажані результати”.

Кордеро і його колеги знайшли спосіб поліпшити структуру 3D-друкованих сплавів, додавши додатковий етап термообробки, який перетворює дрібні зерна надрукованого матеріалу на набагато більші “стовпчасті” зерна – міцнішу мікроструктуру, що має мінімізувати потенціал повзучості матеріалу, оскільки “стовпчики” вирівняно за віссю найбільшого напруження. Дослідники стверджують, що метод, описаний сьогодні в журналі Additive Manufacturing, відкриває шлях для промислового 3D-друку лопаток газових турбін.

“У найближчому майбутньому ми припускаємо, що виробники газових турбін друкуватимуть свої лопатки і лопаті на великих заводах з адитивного виробництва, а потім оброблятимуть їх за допомогою нашого методу термообробки”, – каже Кордеро. “3D-друк дасть змогу створювати нові архітектури охолодження, які можуть підвищити теплову ефективність турбіни, тож вона вироблятиме стільки ж енергії, спалюючи менше палива і викидаючи менше вуглекислого газу”.

Співавторами Кордеро в дослідженні є провідний автор Домінік Пічі, Крістофер Картер і Андрес Гарсія-Хіменес з Массачусетського технологічного інституту, Ануграхапрада Мукундан і Марі-Агат Шарпань з Іллінойського університету в Урбана-Шампейн і Донован Леонард з Ок-Ріджської національної лабораторії.

Запуск трансформації

Новий метод команди є формою спрямованої рекристалізації – термічної обробки, під час якої матеріал проходить через гарячу зону з точно контрольованою швидкістю, щоб з’єднати безліч мікроскопічних зерен матеріалу в більші, міцніші та однорідніші кристали.

Спрямована рекристалізація була винайдена понад 80 років тому і застосовувалася для обробки деформованих матеріалів. У своєму новому дослідженні команда Массачусетського технологічного інституту адаптувала спрямовану рекристалізацію для 3D-друку суперсплавів.

Команда протестувала метод на 3D-друкованих суперсплавах на основі нікелю – металах, які зазвичай відливають і використовують у газових турбінах. Під час серії експериментів дослідники помістили 3D-друковані зразки суперсплавів у формі стрижнів у водяну баню кімнатної температури, розташовану безпосередньо під індукційною котушкою. Вони повільно витягали кожен стрижень з води і пропускали через котушку з різною швидкістю, різко нагріваючи стрижні до температури від 1 200 до 1 245 градусів Цельсія.

Вони виявили, що протягування стрижнів з певною швидкістю (2,5 міліметра на годину) і за певної температури (1235 градусів Цельсія) створює крутий тепловий градієнт, який спричиняє трансформацію друкованої, дрібнозернистої мікроструктури матеріалу.

“Матеріал починається як маленькі зерна з дефектами, званими дислокаціями, які схожі на понівечені спагеті”, – пояснює Кордеро. “Коли ви нагріваєте цей матеріал, ці дефекти можуть анігілювати і змінити конфігурацію, і зерна можуть рости. Ми постійно подовжуємо зерна, поглинаючи дефектний матеріал і менші зерна – процес, званий рекристалізацією”.

Повзучість

Після охолодження термооброблених стрижнів дослідники вивчили їхню мікроструктуру за допомогою оптичної та електронної мікроскопії та виявили, що друковані мікроскопічні зерна матеріалу були замінені “стовпчастими” зернами, або довгими кристалоподібними областями, що були значно більшими за вихідні зерна.

“Ми повністю змінили структуру”, – каже провідний автор дослідження Домінік Пічі. “Ми показали, що можемо збільшити розмір зерна на порядки, до масивних стовпчастих зерен, що теоретично має призвести до значного поліпшення властивостей при повзучості”.

Команда також показала, що може маніпулювати швидкістю витягування і температурою стрижневих зразків для регулювання зростаючих зерен матеріалу, створюючи області з певним розміром і орієнтацією зерен. Такий рівень контролю, каже Кордеро, може дозволити виробникам друкувати лопатки турбін з конкретними мікроструктурами, стійкими до певних умов експлуатації.

Кордеро планує протестувати термообробку на 3D-друкованих геометріях, більш схожих на лопатки турбін. Команда також вивчає способи прискорення швидкості витяжки, а також перевіряє стійкість термообробленої структури до повзучості. Потім, на їхню думку, термообробка може дозволити практичне застосування 3D-друку для виробництва турбінних лопаток промислового рівня зі складнішими формами та візерунками.

“Нові геометрії лопаток і лопатей дадуть змогу створити більш енергоефективні наземні газові турбіни, а також, у кінцевому підсумку, авіаційні двигуни”, – зазначає Кордеро. “Це може призвести до зниження викидів двоокису вуглецю в атмосферу тільки за рахунок підвищення ефективності цих пристроїв.”