Neue Technologie in der Wärmebehandlung bietet überlegene Beständigkeit gegenüber Metallen

Neue Technologie in der Wärmebehandlung bietet überlegene Beständigkeit gegenüber Metallen
Neue Technologie in der Wärmebehandlung bietet überlegene Beständigkeit gegenüber Metallen - Cordero zielt darauf ab, die Wärmebehandlung mit 3D-gedruckten Formen zu testen, die Turbinenschaufeln besser nachahmen. Das Team testet auch die Kriechfestigkeit von wärmebehandelten Strukturen und sucht nach Möglichkeiten, die Schrumpfungsrate zu beschleunigen. Als nächstes glauben sie, dass die Wärmebehandlung es ermöglichen wird, den 3D-Druck auf praktische Weise einzusetzen, um Turbinenschaufeln in Industriequalität mit komplexeren Formen und Mustern herzustellen. Neue Schaufeln und Schaufelformen werden die Entwicklung von landgestützten Gasturbinen und letztlich energieeffizienteren Flugzeugtriebwerken ermöglichen. „Schon durch eine bloße Steigerung der Effizienz dieser Geräte“, schreibt er, „könnte dies grundsätzlich zu einer Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes führen.“ Ein dünner Stab aus 3D-gedruckter Superlegierung wird aus einem Wasserbad genommen und zu einer Induktionsspule geschickt, wo er auf Temperaturen erhitzt wird, die die Mikrostruktur des Materials verändern und seine Flexibilität erhöhen. 3D-gedruckte Gasturbinenschaufeln können mit der neuesten MIT-Wärmebehandlung angetrieben werden. Es wird auf Dominic David Peachey verwiesen.

Gasturbinen- oder Strahltriebwerksschaufeln können mit einem energieeffizienten Verfahren 3D-gedruckt werden, das die mikroskopische Struktur von Metallen verändert.

Eine neue vom MIT entwickelte Wärmebehandlung verändert die mikroskopische Struktur von 3D-gedruckten Metallen und macht die Materialien haltbarer und widerstandsfähiger gegen Temperaturschocks. Hochleistungsschaufeln und -blätter für Düsentriebwerke und Gasturbinen können mit dieser Technik in 3D gedruckt werden, was die Tür zu neuen Designs öffnet, die den Kraftstoffverbrauch senken und die Energieeffizienz steigern.

Moderne Gasturbinenschaufeln werden mit traditionellen Gießtechniken hergestellt, bei denen geschmolzenes Metall in komplexe Formen gegossen und in einer bestimmten Richtung erstarrt wird. Diese Komponenten bestehen aus einigen der hitzebeständigsten Metalllegierungen der Welt, da sie durch Rotation mit hoher Geschwindigkeit in dem extrem heißen Gas ihre Arbeit verrichten, um in Kraftwerken Strom zu erzeugen und Strahltriebwerken Schub zu verleihen.

Neben den finanziellen und ökologischen Vorteilen besteht ein wachsendes Interesse an der Herstellung von Turbinenschaufeln mithilfe des 3D-Drucks, der es Herstellern ermöglichen könnte, komplexere, energieeffizientere Schaufelformen schneller herzustellen. Aber eine große Hürde namens Creep steht dem 3D-Druck von Turbinenschaufeln noch im Weg.

Der Begriff „Kriechen“ beschreibt in der Metallurgie die Tendenz eines Metalls, sich bei hohen Temperaturen und anhaltender mechanischer Belastung irreversibel zu verformen. Bei der Untersuchung des Schubs von Turbinenschaufeln entdeckten die Forscher, dass das Druckverfahren zu feinen Partikeln mit einer Größe von zehn bis hundert Mikrometern führt, was es zu einer besonders kriechanfälligen Mikrostruktur macht.

Laut Zachary Cordero, Boeing Career Development Professor of Aeronautics and Astronautics am MIT, „bedeutet dies in der Praxis, dass eine Gasturbine eine kürzere Lebensdauer oder weniger Kraftstoffeffizienz hat.“ Dies sind teure und unerwünschte Folgen.

Die Feinteile des bedruckten Materials verwandeln sich in viel größere „säulenförmige“ Körner, wodurch eine haltbarere Mikrostruktur entsteht und das Kriechpotential des Materials verringert wird, da sich die „Säulen“ an der Achse der größten Belastung ausrichten. Cordero und Kollegen entdeckten einen Weg, um die Struktur von 3D-gedruckten Legierungen durch Hinzufügen eines zusätzlichen Wärmebehandlungsschritts zu verbessern. Der Ansatz, den die Forscher in der heutigen Ausgabe von Additive Manufacturing beschreiben, ebnet den Weg für den kommerziellen 3D-Druck von Gasturbinenschaufeln.

„Wir gehen davon aus, dass Gasturbinenhersteller bald Schaufeln und Laufschaufeln in großen additiven Fertigungsanlagen drucken und sie dann mit unserer Wärmebehandlung verarbeiten werden“, sagt Cordero.

Die Entwicklung neuer Kühlarchitekturen, die durch den 3D-Druck ermöglicht werden, wird es Turbinen ermöglichen, die gleiche Energiemenge zu erzeugen, weniger Kraftstoff zu verbrauchen und letztendlich weniger Kohlendioxid auszustoßen.

Hauptautor Dominic Peachey, Co-Autoren Christopher Carter und Andres Garcia-Jimenez vom MIT, Anugrahaprada Mukundan und Marie-Agathe Charpagne von der University of Illinois at Urbana-Champaign und Donovan Leonard vom Oak Ridge National Laboratory sind Co-Autoren der Studie mit Cordero. .

Die von den Forschern entwickelte neue Technik ist eine Art gerichtete Rekristallisation, eine Wärmebehandlung, bei der eine Substanz mit einer genau geregelten Geschwindigkeit durch einen erhitzten Bereich bewegt wird, um eine große Anzahl winziger Materiekörner zu größeren, stabileren Kristallen zu kombinieren.

Die gerichtete Rekristallisation wurde vor mehr als 80 Jahren entwickelt und wird seitdem bei verarbeiteten Materialien eingesetzt. In ihrer jüngsten Arbeit hat das MIT-Team die gerichtete Rekristallisation für 3D-gedruckte Superlegierungen modifiziert.

Die Technologie wurde an Metallen getestet, die häufig gegossen und in Gasturbinen verwendet werden – 3D-gedruckte Superlegierungen auf Nickelbasis. In einer Reihe von Tests platzierten die Wissenschaftler 3D-gedruckte Proben stabförmiger Superlegierungen unter einer Induktionsspule in einem Wasserbad mit Raumtemperatur. Indem sie jeden Stab langsam aus dem Wasser und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Spule zogen, erhitzten sie die Stäbe erheblich auf Temperaturen zwischen 1.200 und 1.245 Grad Celsius.

Sie entdeckten, dass die Bewegung der Stäbe mit einer präzisen Geschwindigkeit von 1.235 Millimetern pro Stunde über einen Temperaturbereich von 2,5 Grad Celsius einen starken Temperaturgradienten verursacht, der die gedruckte, feinkörnige Mikrostruktur des Materials verändert.

Das Material besteht laut Cordero zunächst aus mikroskopisch kleinen Körnern mit Versetzungen, die an zerkleinerte Spaghetti erinnern. „Wenn dieses Material erhitzt wird, können diese Defekte verschwinden und sich neu anordnen, wodurch sich die Körner ausdehnen können. Rekristallisation ist der Prozess, bei dem wir Körner kontinuierlich verlängern, indem wir fehlerhaftes Material und kleinere Körner aufnehmen.

Nach dem Abkühlen der wärmebehandelten Stäbe stellten die Forscher fest, dass die aufgedruckten mikroskopischen Körner des Materials durch „säulenförmige“ Körner oder längliche kristallähnliche Bereiche ersetzt wurden, die deutlich größer als die ursprünglichen Körner waren.

Laut Hauptautor Dominic Peachey wurde das Gebäude komplett umgestaltet. Wir haben gezeigt, dass es theoretisch möglich ist, die Korngröße stark zu erhöhen, um säulenförmige Körner zu bilden, was zu einer signifikanten Verbesserung der Kriecheigenschaften führen sollte.

Die Wissenschaftler demonstrierten auch, wie sie die Temperatur und die Schrumpfungsrate der Stangenproben steuern konnten, um die wachsenden Körner des Materials anzupassen und Schnitte mit spezifischer Korngröße und -orientierung herzustellen. Dank dieser Kontrolle ist es laut Cordero möglich, Turbinenschaufeln mit regionalspezifischen Mikrostrukturen zu drucken, die gegen bestimmte Betriebsbedingungen beständig sind.

Cordero zielt darauf ab, die Wärmebehandlung mit 3D-gedruckten Formen zu testen, die Turbinenschaufeln genauer nachahmen. Das Team testet auch die Kriechfestigkeit von wärmebehandelten Strukturen und sucht nach Möglichkeiten, die Schrumpfungsrate zu beschleunigen. Als nächstes glauben sie, dass die Wärmebehandlung es ermöglichen wird, den 3D-Druck auf praktische Weise einzusetzen, um Turbinenschaufeln in Industriequalität mit komplexeren Formen und Mustern herzustellen.

Neue Schaufeln und Schaufelformen werden die Entwicklung von landgestützten Gasturbinen und letztlich energieeffizienteren Flugzeugtriebwerken ermöglichen. „Schon durch eine einfache Steigerung der Effizienz dieser Geräte“, schreibt er, „könnte dies grundsätzlich zu einer Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes führen.“

Quelle: news.mit.edu – Jennifer Chu | MIT-Nachrichtenbüro

Günceleme: 15/11/2022 23:13

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