20. новембра 2023. истраживачи са МИТ-а развили су иновативну методу топлотне обраде која може значајно побољшати снагу 3Д штампаних металних производа, чинећи их отпорнијим на екстремно високе температуре окружења. Овај технолошки продор отвара нове могућности за производњу лопатица и лопатица високих перформанси за употребу у гасним турбинама за производњу енергије, па чак и у млазним моторима. Ово је велики напредак за индустрију металних производа, јер је сада могуће 3Д штампање са запањујућом прецизношћу без жртвовања квалитета и поузданости металних делова.
Танка шипка од 3Д штампане суперлегуре се извлачи из воденог купатила и пролази кроз индукциони калем, где се загрева до температуре која мења његову микроструктуру, чинећи материјал еластичнијим.
Лопатице гасних турбина се обично производе коришћењем традиционалних процеса ливења. Произвођачи сипају растопљени метал у сложене калупе, омогућавајући му да се учврсти у правцу, а затим користе различите алате за машинску обраду да заврше финалне металне делове. Лопатице морају бити у стању да се окрећу великом брзином у екстремно врућим гасовима да би произвеле електричну енергију у електранама и обезбедиле потисак за млазне моторе.
Међутим, расте интересовање за производњу турбинских лопатица путем 3Д штампања, методе која је еколошки и исплатива и омогућава произвођачима да производе сложеније и енергетски ефикасније геометрије лопатица. Нажалост, постоји велика препрека коју треба превазићи: пузање.
Пузање је склоност метала да се трајно деформише под сталним механичким стресом и повишеним температурама. Претходна истраживања су открила да процес 3Д штампања производи фине честице величине од десетина до стотина микрона. Иако је једва видљива голим оком, ова микроструктура је посебно подложна пузању.
„У практичном смислу, то значи да ће гасне турбине имати краћи век трајања или ће бити мање ефикасне у потрошњи горива“, објашњава Закари Кордеро, професор аеронаутике и астронаутике у Боингу на МИТ-у.
Да би решили овај проблем, Цордеро и његове колеге су пронашли начин да побољшају структуру 3Д штампаних легура додавањем новог корака топлотне обраде. Ова метода трансформише фина зрна штампаног материјала у већа "стубнаста" зрна, јачу микроструктуру која минимизира пузање у материјалу. „Стубови“ зрна су поравнати са осом максималног напрезања.
Аутори нове студије тврде да би нова метода термичке обраде могла да револуционише индустријско 3Д штампање лопатица гасних турбина.
Кордеро је рекао: „У блиској будућности очекујемо да произвођачи гасних турбина штампају своје лопатице и лопатице у великим фабрикама за производњу адитива, а затим их накнадно обрађују помоћу наше топлотне обраде. 3Д штампање ће омогућити нове архитектуре хлађења које ће побољшати термичку ефикасност турбина, чиме се производи иста количина електричне енергије уз сагоревање мање горива и на крају емитује мање угљен-диоксида."
Подешавање усмерене рекристализације. Уклоните узорак из расхладне течности кроз врућу зону. Стрми топлотни градијент испред вруће зоне одржава високу густину дислокације што доводи до фронта рекристализације.
Усмерена рекристализација високотемпературних легура
Нова метода МИТ тима је облик усмерене рекристализације, топлотне обраде која помера материјал кроз врућу зону прецизно контролисаним брзинама, стапајући многа микроскопска зрна материјала у веће, јаче и издржљивије Униформ кристале.
Истраживачи су користили усмерену рекристализацију 3Д штампане суперлегуре, која се обично лива и користи у гасним турбинама. Они су тестирали методу на 3Д штампаним суперлегурама на бази никла у облику шипке, које су биле уроњене у водено купатило на собној температури директно испод индукционог намотаја. Полако су извлачили сваки штап из воде и контролисали завојнице различитим брзинама, оштро загревајући штапове на температуре између 1.200 и 1.245 степени Целзијуса.
Открили су да је повлачење штапа одређеном брзином (2,5 мм/сат) и специфичном температуром (1.235 степени Целзијуса) створило стрм топлотни градијент који је покренуо трансформацију у фино зрној микроструктури штампаног материјала.
„Материјал почиње као мале честице са дефектима званим дислокације, попут сломљених шпагета“, објашњава Кордеро. "Када загрејете материјал, ови дефекти нестају и реконфигуришу се, а зрна расту." Настављамо да издужујемо зрна трошењем неисправног материјала и мањих зрна, процес који се назива рекристализација.
Коначно, испитивање термички обрађених штапова помоћу оптичке и електронске микроскопије потврдило је да су микроскопска зрна на површини 3Д штампаних металних делова смештена у "стубна" зрна, што је резултирало значајно побољшаним својствима пузања. Контролом брзине извлачења и температуре узорка штапа, штампане честице могу постићи одређене величине и оријентације. Произвођачи турбина могу поздравити овај ниво контроле. Овај напредак не само да означава важну прекретницу у науци о материјалима, већ и отвара нове путеве за иновације у свим индустријама.