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Eine neue am MIT entwickelte Wärmebehandlung verändert die Mikrostruktur von 3D-gedruckten Metallen und macht das Material stärker und widerstandsfähiger gegen extreme thermische Bedingungen.Diese Technologie könnte den 3D-Druck von Hochleistungsschaufeln und -leitschaufeln für Gasturbinen und Strahltriebwerke ermöglichen, die Strom erzeugen, wodurch neue Konstruktionen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Energieeffizienz ermöglicht werden.
Heutige Gasturbinenschaufeln werden in einem traditionellen Gießverfahren hergestellt, bei dem geschmolzenes Metall in komplexe Formen gegossen und gerichtet erstarrt wird.Diese Komponenten bestehen aus einigen der hitzebeständigsten Metalllegierungen der Welt, da sie darauf ausgelegt sind, sich in extrem heißen Gasen mit hohen Geschwindigkeiten zu drehen, Arbeit zur Stromerzeugung in Kraftwerken zu extrahieren und Strahltriebwerken Schub zu verleihen.
Es besteht ein wachsendes Interesse an der Herstellung von Turbinenschaufeln mittels 3D-Druck, der es den Herstellern neben ökologischen und wirtschaftlichen Vorteilen ermöglicht, Schaufeln mit komplexeren und energieeffizienteren Geometrien schnell herzustellen.Aber die Bemühungen zum 3D-Druck von Turbinenschaufeln müssen noch eine große Hürde überwinden: Kriechen.
Unter Kriechen versteht man in der Metallurgie die Tendenz eines Metalls, sich unter ständiger mechanischer Belastung und hoher Temperatur irreversibel zu verformen.Während die Forscher die Möglichkeit untersuchten, Turbinenschaufeln zu drucken, stellten sie fest, dass der Druckprozess feine Körner mit einer Größe von zehn bis hundert Mikrometern erzeugt – eine Mikrostruktur, die besonders anfällig für Kriechen ist.
„In der Praxis bedeutet dies, dass die Gasturbine eine kürzere Lebensdauer hat oder weniger wirtschaftlich ist“, sagte Zachary Cordero, Boeing-Professor für Luft- und Raumfahrt am MIT.„Das sind kostspielige schlechte Ergebnisse.“
Cordero und Kollegen haben einen Weg gefunden, die Struktur von 3D-gedruckten Legierungen zu verbessern, indem sie einen zusätzlichen Wärmebehandlungsschritt hinzufügen, der die feinen Körner des gedruckten Materials in größere „säulenförmige“ Körner umwandelt – eine stärkere Mikrostruktur, die das Kriechpotential des Materials minimiert.Material, weil die „Säulen“ mit der Achse der maximalen Belastung ausgerichtet sind.Der heute in Additive Manufacturing skizzierte Ansatz ebnet den Weg für den industriellen 3D-Druck von Gasturbinenschaufeln, sagen die Forscher.
„In naher Zukunft erwarten wir, dass Gasturbinenhersteller ihre Schaufeln in großen additiven Fertigungsanlagen drucken und sie dann mit unserer Wärmebehandlung nachbearbeiten werden“, sagte Cordero.„Der 3D-Druck wird neue Kühlarchitekturen ermöglichen, die den thermischen Wirkungsgrad von Turbinen erhöhen können, sodass sie die gleiche Energiemenge erzeugen können, während sie weniger Kraftstoff verbrauchen und letztendlich weniger Kohlendioxid ausstoßen.“
Corderos Studie wurde von den Hauptautoren Dominic Pichi, Christopher Carter und Andres Garcia-Jiménez vom Massachusetts Institute of Technology, Anugrahapradha Mukundan und Marie-Agatha Sharpan von der University of Illinois at Urbana-Champaign sowie Donovan Leonard von the Oak mitverfasst Ridge National Laboratory.
Die neue Methode des Teams ist eine Form der gerichteten Rekristallisation, einer Wärmebehandlung, die Material mit einer genau kontrollierten Geschwindigkeit durch eine heiße Zone bewegt und viele mikroskopisch kleine Körner des Materials zu größeren, stärkeren und gleichmäßigeren Kristallen verschmilzt.
Die gerichtete Rekristallisation wurde vor über 80 Jahren erfunden und auf verformbare Materialien angewendet.In ihrer neuen Studie hat ein MIT-Team die gerichtete Rekristallisation auf 3D-gedruckte Superlegierungen angewendet.
Das Team testete diese Methode an 3D-gedruckten Superlegierungen auf Nickelbasis, Metallen, die üblicherweise gegossen und in Gasturbinen verwendet werden.In einer Reihe von Experimenten platzierten die Forscher 3D-gedruckte Proben aus stabförmigen Superlegierungen in einem Wasserbad mit Raumtemperatur direkt unter einer Induktionsspule.Sie zogen jeden Stab langsam aus dem Wasser und führten ihn mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch eine Spule, wodurch die Stäbe erheblich auf Temperaturen zwischen 1200 und 1245 Grad Celsius erhitzt wurden.
Sie fanden heraus, dass das Ziehen des Stabs mit einer bestimmten Geschwindigkeit (2,5 Millimeter pro Stunde) und einer bestimmten Temperatur (1235 Grad Celsius) einen steilen Temperaturgradienten erzeugt, der einen Übergang in der feinkörnigen Mikrostruktur des Druckmediums auslöst.
„Das Material beginnt mit kleinen Partikeln mit Defekten, die als Versetzungen bezeichnet werden, wie zerbrochene Spaghetti“, erklärte Cordero.„Wenn Sie das Material erhitzen, verschwinden diese Defekte und bauen sich wieder auf, und die Körner können wachsen.Körner, indem sie fehlerhaftes Material und kleinere Körner absorbieren – ein Prozess, der als Rekristallisation bezeichnet wird.“
Nach dem Abkühlen der wärmebehandelten Stäbe untersuchten die Forscher ihre Mikrostruktur mit Licht- und Elektronenmikroskopen und stellten fest, dass die eingeprägten mikroskopischen Körner des Materials durch „säulenförmige“ Körner oder lange, kristallähnliche Bereiche ersetzt wurden, die viel größer als das Original waren Körner..
„Wir haben komplett umstrukturiert“, sagt Hauptautor Dominic Peach.„Wir zeigen, dass wir die Korngröße um mehrere Größenordnungen erhöhen können, um eine große Anzahl säulenförmiger Körner zu bilden, was theoretisch zu einer deutlichen Verbesserung der Kriecheigenschaften führen sollte.“
Das Team zeigte auch, dass es die Ziehgeschwindigkeit und Temperatur der Stangenproben steuern konnte, um die wachsenden Körner des Materials fein abzustimmen und Regionen mit spezifischer Korngröße und -orientierung zu schaffen.Dieses Maß an Kontrolle könnte es den Herstellern ermöglichen, Turbinenschaufeln mit ortsspezifischen Mikrostrukturen zu drucken, die auf bestimmte Betriebsbedingungen zugeschnitten werden können, sagt Cordero.
Cordero plant, die Wärmebehandlung von 3D-gedruckten Teilen näher an den Turbinenschaufeln zu testen.Das Team sucht auch nach Möglichkeiten, die Zugfestigkeit zu beschleunigen und die Kriechfestigkeit von wärmebehandelten Strukturen zu testen.Sie spekulieren dann, dass die Wärmebehandlung die praktische Anwendung des 3D-Drucks ermöglichen könnte, um Turbinenschaufeln in Industriequalität mit komplexeren Formen und Mustern herzustellen.
„Die neuen Schaufeln und Schaufelgeometrien werden landgestützte Gasturbinen und letztendlich Flugzeugtriebwerke energieeffizienter machen“, sagte Cordero.„Aus der Basisperspektive könnte dies die CO2-Emissionen reduzieren, indem die Effizienz dieser Geräte verbessert wird.“
Postzeit: 15. November 2022
