Rekristallisationsvärmebehandlingsteknik

En tunn stav av 3D-printad superlegering dras från ett vattenbad och passerar genom en induktionsspole, där den värms upp till en temperatur som ändrar dess mikrostruktur, vilket gör materialet mer elastiskt.

Gasturbinblad tillverkas vanligtvis med traditionella gjutprocesser. Tillverkare häller smält metall i komplexa formar, vilket låter den stelna i riktning, och använder sedan en mängd olika bearbetningsverktyg för att färdigställa de slutliga metalldelarna. Bladen måste kunna snurra i höga hastigheter i extremt heta gaser för att generera elektricitet i kraftverk och ge dragkraft till jetmotorer.

Det finns dock ett växande intresse för att tillverka turbinblad genom 3D-utskrift, en metod som är miljö- och kostnadseffektiv och gör det möjligt för tillverkare att producera mer komplexa och energieffektiva bladgeometrier. Tyvärr finns det ett stort hinder att övervinna: krypning.

Krypning är tendensen hos metaller att permanent deformeras under ihållande mekanisk påfrestning och förhöjda temperaturer. Tidigare forskning har funnit att 3D-utskriftsprocessen producerar fina partiklar som sträcker sig från tiotals till hundratals mikron i storlek. Även om den knappt är synlig för blotta ögat, är denna mikrostruktur särskilt känslig för krypning.

"I praktiska termer betyder detta att gasturbinerna kommer att ha en kortare livslängd eller vara mindre bränsleeffektiva", förklarar Zachary Cordero, Boeings karriärutvecklingsprofessor i flygteknik och astronautik vid MIT.

För att lösa detta problem hittade Cordero och kollegor ett sätt att förbättra strukturen hos 3D-tryckta legeringar genom att lägga till ett nytt värmebehandlingssteg. Denna metod förvandlar de fina kornen i det tryckta materialet till större "kolumnformiga" korn, en starkare mikrostruktur som minimerar krypning i materialet. Kornens "pelare" är i linje med axeln för maximal spänning.

Författarna till den nya studien hävdar att en ny värmebehandlingsmetod kan revolutionera industriell 3D-utskrift av gasturbinblad.

Cordero sa: "Inom en snar framtid förväntar vi oss att gasturbintillverkare kommer att skriva ut sina blad och skovlar i stora additivtillverkningsanläggningar och sedan efterbearbeta dem med vår värmebehandling. 3D-utskrift kommer att möjliggöra nya kylningsarkitekturer som kommer att förbättra den termiska effektiviteten hos turbin, och därigenom producerar samma mängd el samtidigt som man förbränner mindre bränsle och slutligen släpper ut mindre koldioxid."

Riktad omkristalliseringsinställning. Ta bort provet från kylvätskan genom den varma zonen. Den branta termiska gradienten framför den heta zonen upprätthåller en hög dislokationsdensitet som leder till omkristallisationsfronten.

​