Les organitzacions sense ànim de lucre, els mitjans de comunicació i el públic poden descarregar imatges del lloc web de l'Oficina de Premsa del MIT sota la llicència Creative Commons Attribution no comercial i no derivada.No heu de modificar les imatges proporcionades, només retallar-les a la mida correcta.Els crèdits s'han d'utilitzar en copiar imatges;Crèdit "MIT" per a les imatges tret que s'indiqui a continuació.
Un nou tractament tèrmic desenvolupat al MIT canvia la microestructura dels metalls impresos en 3D, fent que el material sigui més fort i més resistent a condicions tèrmiques extremes.Aquesta tecnologia podria permetre la impressió en 3D de pales i pales d'alt rendiment per a turbines de gas i motors a reacció que generen electricitat, permetent nous dissenys per reduir el consum de combustible i l'eficiència energètica.
Les pales de les turbines de gas actuals es fabriquen mitjançant un procés de fosa tradicional en què el metall fos s'aboca en formes complexes i es solidifica direccionalment.Aquests components estan fets d'alguns dels aliatges metàl·lics més resistents a la calor del planeta, ja que estan dissenyats per girar a altes velocitats en gasos extremadament calents, extreu treball per generar electricitat a les centrals elèctriques i proporcionar empenta als motors a reacció.
Hi ha un interès creixent en la producció de pales de turbina mitjançant la impressió 3D, que, a més dels beneficis ambientals i econòmics, permet als fabricants produir ràpidament pales amb geometries més complexes i eficients energèticament.Però els esforços per imprimir en 3D les pales de les turbines encara no han superat un gran obstacle: el fluir.
En metal·lúrgia, s'entén per fluència com la tendència d'un metall a deformar-se de manera irreversible sota una tensió mecànica constant i alta temperatura.Mentre els investigadors estaven explorant la possibilitat d'imprimir pales de turbina, van trobar que el procés d'impressió produeix grans fins de mida que oscil·la entre desenes i centenars de micròmetres, una microestructura que és particularment propensa a arrasar-se.
"A la pràctica, això significa que la turbina de gas tindrà una vida més curta o serà menys econòmica", va dir Zachary Cordero, professor d'aeroespacial de Boeing al MIT."Aquests són mals resultats costosos".
Cordero i els seus col·legues han trobat una manera de millorar l'estructura dels aliatges impresos en 3D afegint un pas addicional de tractament tèrmic que converteix els grans fins del material imprès en grans "columnars" més grans: una microestructura més forta que minimitza el potencial de fluïdesa del material.material perquè els "pilars" estan alineats amb l'eix de màxima tensió.L'enfocament descrit avui a Fabricació additiva obre el camí per a la impressió industrial en 3D de pales de turbines de gas, diuen els investigadors.
"En un futur proper, esperem que els fabricants de turbines de gas imprimin les seves pales en plantes de fabricació additiva a gran escala i després les processin mitjançant el nostre tractament tèrmic", va dir Cordero."La impressió 3D permetrà noves arquitectures de refrigeració que poden augmentar l'eficiència tèrmica de les turbines, cosa que els permetrà produir la mateixa quantitat d'energia mentre cremen menys combustible i, finalment, emeten menys diòxid de carboni".
L'estudi de Cordero va ser coautor dels autors principals Dominic Pichi, Christopher Carter i Andres Garcia-Jiménez de l'Institut Tecnològic de Massachusetts, Anugrahapradha Mukundan i Marie-Agatha Sharpan de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign i Donovan Leonard de l'Oak. Laboratori Nacional Ridge.
El nou mètode de l'equip és una forma de recristal·lització direccional, un tractament tèrmic que mou el material a través d'una zona calenta a una velocitat controlada amb precisió, fusionant molts grans microscòpics del material en cristalls més grans, més forts i més uniformes.
La recristal·lització direccional es va inventar fa més de 80 anys i es va aplicar a materials deformables.En el seu nou estudi, un equip del MIT ha aplicat la recristal·lització dirigida als superaliatges impresos en 3D.
L'equip va provar aquest mètode en superaliatges a base de níquel impresos en 3D, metalls que s'utilitzen habitualment en turbines de gas.En una sèrie d'experiments, els investigadors van col·locar mostres impreses en 3D de superaliatges semblants a varetes en un bany d'aigua a temperatura ambient directament sota una bobina d'inducció.Van treure lentament cada vareta de l'aigua i la van fer passar per una bobina a diferents velocitats, escalfant significativament les varetes a temperatures que oscil·laven entre els 1200 i els 1245 graus centígrads.
Van trobar que estirar la vareta a una velocitat determinada (2,5 mil·límetres per hora) i a una temperatura determinada (1235 graus centígrads) crea un fort gradient de temperatura que desencadena una transició a la microestructura de gra fi del suport d'impressió.
"El material comença com a petites partícules amb defectes anomenats dislocacions, com els espaguetis trencats", va explicar Cordero.“Quan escalfes el material, aquests defectes desapareixen i es reconstrueixen, i els grans poden créixer.grans absorbint material defectuós i grans més petits, un procés anomenat recristal·lització.
Després de refredar les barres tractades tèrmicament, els investigadors van examinar la seva microestructura mitjançant microscopis òptics i electrònics i van trobar que els grans microscòpics impresos del material eren substituïts per grans "columnars", o regions llargues semblants a cristalls que eren molt més grans que l'original. grans..
"Ens hem reestructurat completament", va dir l'autor principal Dominic Peach."Mostrem que podem augmentar la mida del gra en diversos ordres de magnitud per formar un gran nombre de grans columnars, cosa que teòricament hauria de conduir a una millora significativa de les propietats de fluència".
L'equip també va demostrar que podien controlar la velocitat de tracció i la temperatura de les mostres de varetes per afinar els grans en creixement del material, creant regions de mida i orientació específiques.Aquest nivell de control podria permetre als fabricants imprimir pales de turbines amb microestructures específiques del lloc que es poden adaptar a condicions de funcionament específiques, diu Cordero.
Cordero té previst provar el tractament tèrmic de les peces impreses en 3D més a prop de les pales de la turbina.L'equip també està buscant maneres d'accelerar la resistència a la tracció i provar la resistència a la fluència de les estructures tractades tèrmicament.Aleshores, especulen que el tractament tèrmic podria permetre l'aplicació pràctica de la impressió 3D per produir pales de turbina de grau industrial amb formes i patrons més complexos.
"Les noves pales i la geometria de les pales faran que les turbines de gas terrestres i, en definitiva, els motors d'avions siguin més eficients energèticament", va dir Cordero."Des d'una perspectiva de referència, això podria reduir les emissions de CO2 millorant l'eficiència d'aquests dispositius".
Hora de publicació: 15-nov-2022
