20 listopada 2023 r. naukowcy z MIT opracowali innowacyjną metodę obróbki cieplnej, która może znacznie poprawić wytrzymałość wyrobów metalowych drukowanych w 3D, czyniąc je bardziej odpornymi na środowiska o ekstremalnie wysokich temperaturach. Ten przełom technologiczny otwiera nowe możliwości produkcji łopatek i łopatek o wysokiej wydajności do zastosowania w turbinach gazowych do wytwarzania energii, a nawet silnikach odrzutowych. To ogromny przełom w branży wyrobów metalowych, ponieważ obecnie możliwe jest drukowanie 3D z oszałamiającą precyzją bez utraty jakości i niezawodności części metalowych.
Cienki pręt nadstopu wydrukowanego w 3D jest wyciągany z kąpieli wodnej i przepuszczany przez cewkę indukcyjną, gdzie jest podgrzewany do temperatury, która zmienia jego mikrostrukturę, czyniąc materiał bardziej elastycznym.
Łopatki turbin gazowych są zwykle produkowane przy użyciu tradycyjnych procesów odlewania. Producenci wlewają roztopiony metal do skomplikowanych form, umożliwiając mu kierunkowe zestalanie, a następnie wykorzystują różnorodne narzędzia obróbcze do wykończenia końcowych części metalowych. Łopaty muszą wirować z dużą prędkością w niezwykle gorących gazach, aby wytwarzać energię elektryczną w elektrowniach i zapewniać ciąg dla silników odrzutowych.
Jednakże rośnie zainteresowanie produkcją łopatek turbin za pomocą druku 3D – metody, która jest ekologiczna i opłacalna oraz umożliwia producentom wytwarzanie bardziej złożonych i energooszczędnych geometrii łopatek. Niestety istnieje wielka przeszkoda do pokonania: pełzanie.
Pełzanie to tendencja metali do trwałego odkształcania się pod wpływem długotrwałego naprężenia mechanicznego i podwyższonych temperatur. Poprzednie badania wykazały, że w procesie drukowania 3D powstają drobne cząstki o wielkości od dziesiątek do setek mikronów. Choć ledwo widoczna gołym okiem, ta mikrostruktura jest szczególnie podatna na pełzanie.
„W praktyce oznacza to, że turbiny gazowe będą miały krótszą żywotność lub będą mniej oszczędne pod względem zużycia paliwa” – wyjaśnia Zachary Cordero, profesor ds. rozwoju kariery Boeinga w dziedzinie aeronautyki i astronautyki w MIT.
Aby rozwiązać ten problem, Cordero i współpracownicy znaleźli sposób na ulepszenie struktury stopów drukowanych w 3D poprzez dodanie nowego etapu obróbki cieplnej. Metoda ta przekształca drobne ziarna drukowanego materiału w większe ziarna „kolumnowe”, co stanowi silniejszą mikrostrukturę, która minimalizuje pełzanie materiału. „Filary” ziarna są ustawione w jednej linii z osią maksymalnego naprężenia.
Autorzy nowego badania twierdzą, że nowa metoda obróbki cieplnej może zrewolucjonizować przemysłowy druk 3D łopatek turbin gazowych.
Cordero powiedział: „Oczekujemy, że w najbliższej przyszłości producenci turbin gazowych będą drukować swoje łopatki i łopatki w dużych zakładach produkujących dodatki, a następnie poddawać je obróbce końcowej przy użyciu naszej obróbki cieplnej. Druk 3D umożliwi nowe architektury chłodzenia, które poprawią sprawność cieplną turbiny turbinę, wytwarzając w ten sposób tę samą ilość energii elektrycznej, spalając mniej paliwa i ostatecznie emitując mniej dwutlenku węgla.”
Konfiguracja rekrystalizacji kierunkowej. Usuń próbkę z chłodziwa przez gorącą strefę. Stromy gradient termiczny przed gorącą strefą utrzymuje wysoką gęstość dyslokacji prowadzącą do frontu rekrystalizacji.
Rekrystalizacja kierunkowa stopów wysokotemperaturowych
Nowa metoda zespołu MIT to forma rekrystalizacji kierunkowej, czyli obróbki cieplnej, podczas której materiał przemieszcza się przez gorącą strefę z precyzyjnie kontrolowaną prędkością, łącząc wiele mikroskopijnych ziaren materiału w większe, mocniejsze i trwalsze, jednolite kryształy.
Naukowcy wykorzystali kierunkową rekrystalizację nadstopu drukowanego w 3D, który jest powszechnie odlewany i stosowany w turbinach gazowych. Przetestowali tę metodę na wydrukowanych w 3D superstopach na bazie niklu w kształcie pręta, które zanurzono w łaźni wodnej o temperaturze pokojowej bezpośrednio pod cewką indukcyjną. Powoli wyciągali każdy pręt z wody i kontrolowali zwoje z różnymi prędkościami, gwałtownie podgrzewając pręty do temperatury od 1200 do 1245 stopni Celsjusza.
Odkryli, że ciągnięcie pręta z określoną prędkością (2,5 mm/godzinę) i określoną temperaturą (1235 stopni Celsjusza) powoduje powstanie stromego gradientu termicznego, który powoduje transformację drobnoziarnistej mikrostruktury drukowanego materiału.
„Materiał zaczyna się od małych cząstek z defektami zwanymi dyslokacjami, jak połamane spaghetti” – wyjaśnia Cordero. „Kiedy podgrzejesz materiał, defekty znikają i rekonfigurują się, a ziarna rosną”. Nadal wydłużamy ziarna, zużywając wadliwy materiał i mniejsze ziarna, w procesie zwanym rekrystalizacją.
Ostatecznie badanie prętów poddanych obróbce cieplnej za pomocą mikroskopii optycznej i elektronowej potwierdziło, że mikroskopijne ziarna na powierzchni wydrukowanych w 3D części metalowych zostały umieszczone w ziarnach „kolumnowych”, co spowodowało znacznie lepsze właściwości pełzania. Kontrolując prędkość ciągnienia i temperaturę próbki pręta, drukowane cząstki mogą osiągnąć określone rozmiary i orientacje. Ten poziom kontroli może zostać przyjęty z zadowoleniem przez producentów turbin. Postęp ten nie tylko stanowi ważny kamień milowy w materiałoznawstwie, ale także otwiera nowe możliwości innowacji w różnych branżach.