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Un nuovo trattamento termico sviluppato al MIT modifica la microstruttura dei metalli stampati in 3D, rendendo il materiale più forte e più resistente a condizioni termiche estreme.Questa tecnologia potrebbe consentire la stampa 3D di pale e palette ad alte prestazioni per turbine a gas e motori a reazione che generano elettricità, consentendo a nuovi progetti di ridurre il consumo di carburante e l'efficienza energetica.
Le odierne pale delle turbine a gas sono realizzate utilizzando un processo di fusione tradizionale in cui il metallo fuso viene colato in forme complesse e solidificato direzionalmente.Questi componenti sono realizzati con alcune delle leghe metalliche più resistenti al calore del pianeta, poiché sono progettati per ruotare ad alta velocità in gas estremamente caldi, estraendo lavoro per generare elettricità nelle centrali elettriche e fornire spinta ai motori a reazione.
C'è un crescente interesse per la produzione di pale per turbine utilizzando la stampa 3D, che, oltre ai vantaggi ambientali ed economici, consente ai produttori di produrre rapidamente pale con geometrie più complesse ed efficienti dal punto di vista energetico.Ma gli sforzi per stampare le pale delle turbine in 3D devono ancora superare un grosso ostacolo: lo scorrimento.
In metallurgia, lo scorrimento è inteso come la tendenza di un metallo a deformarsi irreversibilmente sotto costante stress meccanico e alta temperatura.Mentre i ricercatori stavano esplorando la possibilità di stampare le pale delle turbine, hanno scoperto che il processo di stampa produce grani fini di dimensioni variabili da decine a centinaia di micrometri, una microstruttura particolarmente soggetta a scorrimento.
"In pratica, questo significa che la turbina a gas avrà una vita più breve o sarà meno economica", ha affermato Zachary Cordero, professore di Boeing di aerospaziale al MIT."Questi sono cattivi risultati costosi."
Cordero e colleghi hanno trovato un modo per migliorare la struttura delle leghe stampate in 3D aggiungendo un'ulteriore fase di trattamento termico che trasforma i grani fini del materiale stampato in grani "colonnari" più grandi, una microstruttura più forte che riduce al minimo il potenziale di scorrimento del materiale.materiale perché i “pilastri” sono allineati con l'asse di massima sollecitazione.L'approccio delineato oggi in Additive Manufacturing apre la strada alla stampa 3D industriale delle pale delle turbine a gas, affermano i ricercatori.
“Nel prossimo futuro, ci aspettiamo che i produttori di turbine a gas stampino le loro pale in impianti di produzione additiva su larga scala e poi le post-processino utilizzando il nostro trattamento termico”, ha affermato Cordero."La stampa 3D consentirà nuove architetture di raffreddamento in grado di aumentare l'efficienza termica delle turbine, consentendo loro di produrre la stessa quantità di energia bruciando meno carburante e, in ultima analisi, emettendo meno anidride carbonica".
Lo studio di Cordero è stato co-autore degli autori principali Dominic Pichi, Christopher Carter e Andres Garcia-Jiménez del Massachusetts Institute of Technology, Anugrahapradha Mukundan e Marie-Agatha Sharpan dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e Donovan Leonard della Quercia Laboratorio nazionale della cresta.
Il nuovo metodo del team è una forma di ricristallizzazione direzionale, un trattamento termico che sposta il materiale attraverso una zona calda a una velocità controllata con precisione, fondendo molti grani microscopici del materiale in cristalli più grandi, più forti e più uniformi.
La ricristallizzazione direzionale è stata inventata oltre 80 anni fa e applicata a materiali deformabili.Nel loro nuovo studio, un team del MIT ha applicato la ricristallizzazione diretta alle superleghe stampate in 3D.
Il team ha testato questo metodo su superleghe a base di nichel stampate in 3D, metalli comunemente fusi e utilizzati nelle turbine a gas.In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno posizionato campioni stampati in 3D di superleghe simili a bastoncini in un bagno d'acqua a temperatura ambiente direttamente sotto una bobina di induzione.Hanno tirato lentamente ogni asta fuori dall'acqua e l'hanno fatta passare attraverso una bobina a diverse velocità, riscaldando in modo significativo le aste a temperature comprese tra 1200 e 1245 gradi Celsius.
Hanno scoperto che tirare l'asta a una certa velocità (2,5 millimetri all'ora) ea una certa temperatura (1235 gradi Celsius) crea un forte gradiente di temperatura che innesca una transizione nella microstruttura a grana fine del supporto di stampa.
"Il materiale inizia come piccole particelle con difetti chiamati dislocazioni, come spaghetti rotti", ha spiegato Cordero.“Quando riscaldi il materiale, questi difetti scompaiono e si ricostruiscono e i grani possono crescere.grani assorbendo materiale difettoso e grani più piccoli, un processo chiamato ricristallizzazione.
Dopo aver raffreddato le aste trattate termicamente, i ricercatori hanno esaminato la loro microstruttura utilizzando microscopi ottici ed elettronici e hanno scoperto che i grani microscopici impressi del materiale erano sostituiti da grani "colonnari", o lunghe regioni simili a cristalli che erano molto più grandi dell'originale cereali..
"Ci siamo completamente ristrutturati", ha dichiarato l'autore principale Dominic Peach.“Dimostriamo che possiamo aumentare la dimensione del grano di diversi ordini di grandezza per formare un gran numero di grani colonnari, il che dovrebbe teoricamente portare a un significativo miglioramento delle proprietà di scorrimento”.
Il team ha anche dimostrato di poter controllare la velocità di trazione e la temperatura dei campioni di aste per mettere a punto i grani in crescita del materiale, creando regioni con dimensioni e orientamento dei grani specifici.Questo livello di controllo potrebbe consentire ai produttori di stampare pale di turbine con microstrutture specifiche del sito che possono essere adattate a condizioni operative specifiche, afferma Cordero.
Cordero prevede di testare il trattamento termico delle parti stampate in 3D più vicino alle pale della turbina.Il team sta anche esaminando modi per accelerare la resistenza alla trazione e testare la resistenza allo scorrimento delle strutture trattate termicamente.Quindi ipotizzano che il trattamento termico potrebbe consentire l'applicazione pratica della stampa 3D per produrre pale di turbine di livello industriale con forme e modelli più complessi.
"Le nuove pale e la geometria delle pale renderanno le turbine a gas terrestri e, in ultima analisi, i motori degli aerei più efficienti dal punto di vista energetico", ha affermato Cordero."Dal punto di vista di base, ciò potrebbe ridurre le emissioni di CO2 migliorando l'efficienza di questi dispositivi".
Tempo di pubblicazione: 15 novembre 2022
