As organizacións sen ánimo de lucro, os medios de comunicación e o público poden descargar imaxes do sitio web da Oficina de Prensa do MIT baixo a licenza Creative Commons Attribution non comercial e non derivada.Non debe modificar as imaxes proporcionadas, só recortalas ao tamaño correcto.Deben utilizarse créditos ao copiar imaxes;Crédito "MIT" para imaxes a non ser que se indique a continuación.
Un novo tratamento térmico desenvolvido no MIT cambia a microestrutura dos metais impresos en 3D, facendo que o material sexa máis forte e máis resistente a condicións térmicas extremas.Esta tecnoloxía podería permitir a impresión en 3D de láminas e aspas de alto rendemento para turbinas de gas e motores a reacción que xeran electricidade, permitindo novos deseños para reducir o consumo de combustible e a eficiencia enerxética.
As palas das turbinas de gas actuais fanse mediante un proceso de fundición tradicional no que o metal fundido é vertido en formas complexas e solidificado direccionalmente.Estes compoñentes están feitos dalgunhas das aliaxes metálicas máis resistentes á calor do planeta, xa que están deseñados para xirar a altas velocidades en gases extremadamente quentes, extraendo traballo para xerar electricidade nas centrais eléctricas e proporcionar empuxe aos motores a reacción.
Hai un interese crecente na produción de palas de turbina mediante a impresión 3D, que, ademais dos beneficios ambientais e económicos, permite aos fabricantes producir rapidamente palas con xeometrías máis complexas e eficientes enerxéticamente.Pero os esforzos para imprimir as palas de turbinas en 3D aínda non superaron un gran obstáculo: o fluencia.
En metalurxia, enténdese por fluencia a tendencia dun metal a deformarse de forma irreversible baixo tensión mecánica constante e alta temperatura.Mentres os investigadores exploraban a posibilidade de imprimir as láminas de turbina, descubriron que o proceso de impresión produce grans finos de tamaño que varía de decenas a centos de micrómetros, unha microestrutura que é particularmente propensa a arrastrarse.
"Na práctica, isto significa que a turbina de gas terá unha vida útil máis curta ou será menos económica", dixo Zachary Cordero, profesor de aeroespacial de Boeing no MIT."Estes son malos resultados caros".
Cordero e os seus colegas atoparon unha forma de mellorar a estrutura das aliaxes impresas en 3D engadindo un paso adicional de tratamento térmico que converte os grans finos do material impreso en grans "columnares" máis grandes: unha microestrutura máis forte que minimiza o potencial de fluencia do material.material porque os "piares" están aliñados co eixe de máxima tensión.O enfoque descrito hoxe en Additive Manufacturing abre o camiño para a impresión industrial en 3D de aspas de turbinas de gas, din os investigadores.
"Nun futuro próximo, esperamos que os fabricantes de turbinas de gas impriman as súas palas en plantas de fabricación aditiva a gran escala e despois as procesen mediante o noso tratamento térmico", dixo Cordero."A impresión 3D permitirá novas arquitecturas de refrixeración que poden aumentar a eficiencia térmica das turbinas, permitíndolles producir a mesma cantidade de enerxía mentres queiman menos combustible e, finalmente, emiten menos dióxido de carbono".
O estudo de Cordero foi co-escrito polos autores principais Dominic Pichi, Christopher Carter e Andres Garcia-Jiménez do Instituto Tecnolóxico de Massachusetts, Anugrahapradha Mukundan e Marie-Agatha Sharpan da Universidade de Illinois en Urbana-Champaign e Donovan Leonard de Oak. Laboratorio Nacional de Ridge.
O novo método do equipo é unha forma de recristalización direccional, un tratamento térmico que move o material a través dunha zona quente a un ritmo controlado con precisión, fusionando moitos grans microscópicos do material en cristais máis grandes, máis fortes e máis uniformes.
A recristalización direccional inventouse hai máis de 80 anos e aplicouse a materiais deformables.No seu novo estudo, un equipo do MIT aplicou a recristalización dirixida ás superaliaxes impresas en 3D.
O equipo probou este método en superligas a base de níquel impresas en 3D, metais comúnmente fundidos e utilizados en turbinas de gas.Nunha serie de experimentos, os investigadores colocaron mostras impresas en 3D de superaliaxes tipo varas nun baño de auga a temperatura ambiente directamente debaixo dunha bobina de indución.Lentamente sacaron cada vara da auga e pasárono por unha bobina a diferentes velocidades, quentando significativamente as varas a temperaturas que oscilaban entre 1200 e 1245 graos centígrados.
Descubriron que tirar da varilla a unha certa velocidade (2,5 milímetros por hora) e a unha determinada temperatura (1235 graos centígrados) crea un gradiente de temperatura pronunciado que desencadea unha transición na microestrutura de gran fino dos medios impresos.
"O material comeza como pequenas partículas con defectos chamados dislocacións, como espaguetes rotos", explicou Cordero.“Cando quentas o material, estes defectos desaparecen e reconstruínse, e os grans poden medrar.grans ao absorber material defectuoso e grans máis pequenos, un proceso chamado recristalización.
Despois de arrefriar as varillas tratadas térmicamente, os investigadores examinaron a súa microestrutura usando microscopios ópticos e electrónicos e descubriron que os grans microscópicos impresos do material foron substituídos por grans "columnares", ou rexións longas e parecidas a cristales que eran moito máis grandes que as orixinais. grans..
"Reestruturamos completamente", dixo o autor principal Dominic Peach."Mostramos que podemos aumentar o tamaño dos grans en varias ordes de magnitude para formar un gran número de grans columnares, o que teoricamente debería levar a unha mellora significativa nas propiedades de fluencia".
O equipo tamén demostrou que podían controlar a velocidade de tracción e a temperatura das mostras de varas para afinar os grans en crecemento do material, creando rexións de tamaño e orientación específicos.Este nivel de control podería permitir aos fabricantes imprimir as palas de turbina con microestruturas específicas do sitio que se poden adaptar ás condicións de operación específicas, di Cordero.
Cordero planea probar o tratamento térmico das pezas impresas en 3D máis preto das palas da turbina.O equipo tamén está a buscar formas de acelerar a resistencia á tracción, así como probar a resistencia á fluencia das estruturas tratadas térmicamente.Despois especulan que o tratamento térmico podería permitir a aplicación práctica da impresión 3D para producir aspas de turbina de grao industrial con formas e patróns máis complexos.
"As novas palas e xeometría das palas farán que as turbinas de gas terrestres e, en definitiva, os motores de avións sexan máis eficientes enerxéticamente", dixo Cordero."Desde unha perspectiva de referencia, isto podería reducir as emisións de CO2 mellorando a eficiencia destes dispositivos".
Hora de publicación: 15-novembro-2022
