20. novembril 2023 töötasid MIT-i teadlased välja uuendusliku kuumtöötlusmeetodi, mis võib oluliselt parandada 3D-prinditud metalltoodete tugevust, muutes need vastupidavamaks ekstreemselt kõrge temperatuuriga keskkondadele. See tehnoloogiline läbimurre avab uued võimalused suure jõudlusega labade ja labade tootmiseks, mida kasutatakse elektritootmise gaasiturbiinides ja isegi reaktiivmootorites. See on metallitoodete tööstuse jaoks suur läbimurre, sest nüüd on võimalik 3D-printida vapustava täpsusega ilma metallosade kvaliteeti ja töökindlust ohverdamata.
3D-prinditud supersulamist õhuke varras tõmmatakse veevannist ja lastakse läbi induktsioonmähise, kus see kuumutatakse temperatuurini, mis muudab selle mikrostruktuuri, muutes materjali elastsemaks.
Gaasiturbiini labad valmistatakse tavaliselt traditsiooniliste valuprotsesside abil. Tootjad valavad sulametalli keerulistesse vormidesse, võimaldades sellel suunaga tahkuda, seejärel kasutavad lõplike metallosade viimistlemiseks mitmesuguseid töötlustööriistu. Terad peavad olema võimelised pöörlema suurel kiirusel äärmiselt kuumades gaasides, et toota elektrijaamades elektrit ja anda reaktiivmootoritele tõukejõudu.
Siiski on kasvav huvi turbiinilabade valmistamise vastu 3D-printimise abil – meetod, mis on keskkonna- ja kulutõhus ning võimaldab tootjatel toota keerukamaid ja energiasäästlikumaid labade geomeetriaid. Kahjuks tuleb ületada suur takistus: hiilida.
Roomamine on metallide kalduvus püsivalt deformeeruda püsiva mehaanilise pinge ja kõrgendatud temperatuuride mõjul. Varasemad uuringud on leidnud, et 3D-printimise protsess toodab peeneid osakesi, mille suurus ulatub kümnetest kuni sadade mikroniteni. Kuigi see mikrostruktuur on palja silmaga vaevu nähtav, on see roomamisele eriti vastuvõtlik.
"Praktilises mõttes tähendab see, et gaasiturbiinidel on lühem kasutusiga või need on vähem kütusesäästlikud," selgitab MIT-i Boeingi aeronautika ja astronautika karjääriarenduse professor Zachary Cordero.
Selle probleemi lahendamiseks leidsid Cordero ja kolleegid viisi, kuidas parandada 3D-prinditud sulamite struktuuri, lisades uue kuumtöötlusetapi. See meetod muudab trükitud materjali peened terad suuremateks "kolonnikujulisteks" teradeks, tugevamaks mikrostruktuuriks, mis minimeerib materjali roomamist. Teravilja "sambad" on joondatud maksimaalse pinge teljega.
Uue uuringu autorid väidavad, et uus kuumtöötlusmeetod võib muuta gaasiturbiini labade tööstusliku 3D-printimise.
Cordero ütles: "Lähitulevikus eeldame, et gaasiturbiinide tootjad prindivad oma labad ja labad suurtes lisandite tootmistehastes ning seejärel töötlevad neid meie kuumtöötlusega. 3D-printimine võimaldab uusi jahutusarhitektuure, mis parandavad turbiini soojuslikku efektiivsust. turbiin, mis toodab sama palju elektrit, põletades samal ajal vähem kütust ja eraldades lõpuks vähem süsinikdioksiidi."
Suunatud ümberkristallimise seadistus. Eemaldage proov jahutusvedelikust läbi kuuma tsooni. Järsk termiline gradient kuuma tsooni ees säilitab kõrge dislokatsioonitiheduse, mis viib ümberkristallimise frondini.
Kõrge temperatuuriga sulamite suunaline ümberkristallimine
MIT-i meeskonna uus meetod on suunatud ümberkristallimise vorm, kuumtöötlus, mis liigutab materjali läbi kuuma tsooni täpselt kontrollitud kiirusega, sulatades materjali paljud mikroskoopilised terad suuremateks, tugevamateks ja vastupidavamateks Uniformi kristallideks.
Teadlased kasutasid 3D-prinditud supersulami suunavat ümberkristallimist, mida tavaliselt valatakse ja kasutatakse gaasiturbiinides. Nad katsetasid meetodit vardakujuliste 3D-prinditud niklipõhiste supersulamitega, mis sukeldati toatemperatuuril veevanni otse induktsioonmähise alla. Nad tõmbasid iga varda aeglaselt veest välja ja juhtisid mähiseid erinevatel kiirustel, kuumutades vardad järsult temperatuurini 1200–1245 kraadi Celsiuse järgi.
Nad leidsid, et varda tõmbamine kindla kiirusega (2,5 mm/h) ja kindlal temperatuuril (1235 kraadi Celsiuse järgi) tekitas järsu termilise gradiendi, mis käivitas prinditava materjali peeneteralise mikrostruktuuri muutuse.
"Materjal saab alguse väikestest osakestest, millel on defektid, mida nimetatakse dislokatsioonideks, näiteks purustatud spagetid," selgitab Cordero. "Materjali kuumutamisel need vead kaovad ja konfigureerivad ümber ning terad kasvavad." Jätkame terade pikendamist defektse materjali ja väiksemate terade tarbimisega, seda protsessi nimetatakse ümberkristallimiseks.
Lõpuks kinnitas kuumtöödeldud varraste uurimine optilise ja elektronmikroskoopia abil, et 3D-prinditud metallosade pinnal olevad mikroskoopilised terad asetati "kolonnikujulisteks" teradeks, mille tulemuseks on oluliselt paranenud roomamisomadused. Reguleerides varda proovi tõmbamiskiirust ja temperatuuri, saavad prinditud osakesed saavutada kindla suuruse ja orientatsiooni. Turbiinitootjad võivad sellist juhtimistaset tervitada. See edasiminek ei tähista mitte ainult olulist verstaposti materjaliteaduses, vaid avab ka uusi võimalusi innovatsiooniks kõigis tööstusharudes.