Несмотря на преимущества 3D-печати, которые позволяют производителям создавать более сложные и эффективные геометрии изделий, одним из препятствий на пути производства турбинных лопаток с помощью аддитивных технологий является ползучесть. В металлургии этот термин означает склонность металла к постоянной деформации под воздействием постоянного механического напряжения и высоких температур.
При изучении возможности печати лопаток турбин было обнаружено, что в металле образуются мелкие зерна размером от десятков до сотен микрон - микроструктура, которая особенно уязвима к этому явлению. "На практике это означает, что газовая турбина будет иметь меньший срок службы или меньшую топливную эффективность, - говорит Закари Кордеро, профессор кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. - Это дорогостоящие, нежелательные последствия".
Кордеро и его коллеги нашли способ улучшить структуру 3D-печатных сплавов путем добавления дополнительного этапа термообработки, который превращает мелкие зерна напечатанного материала в гораздо более крупные "столбчатые" зерна - более прочную микроструктуру, которая должна минимизировать потенциал ползучести материала, поскольку "столбцы" выровнены по оси наибольшего напряжения. Исследователи утверждают, что их метод открывает путь для промышленной 3D-печати лопаток газовых турбин.
Разработанный командой метод представляет собой вариант направленной рекристаллизации - термической обработки, при которой материал проходит через горячую зону с точно контролируемой скоростью, в результате чего множество микроскопических зерен материала превращаются в более крупные, прочные и однородные кристаллы.
Направленная рекристаллизация была изобретена более 80 лет назад и применялась для обработки деформируемых материалов. В своем новом исследовании команда MIT адаптировала направленную рекристаллизацию для 3D-печати суперсплавов на основе никеля - металлах, которые обычно отливаются в формы и используются в газовых турбинах. В ходе серии экспериментов исследователи поместили 3D-печатные образцы суперсплавов в форме стержней в водяную баню комнатной температуры, расположенную непосредственно под индукционной катушкой. Они медленно вытягивали каждый стержень из воды и пропускали через катушку с различной скоростью, резко нагревая стержни до температуры от 1 200 до 1 245 градусов Цельсия.
Они обнаружили, что протягивание стержней с определенной скоростью (2,5 миллиметра в час) и при определенной температуре (1235 градусов Цельсия) создает резкий тепловой градиент, который вызывает трансформацию печатной, мелкозернистой микроструктуры материала.
После охлаждения термообработанных стержней исследователи изучили их микроструктуру с помощью оптической и электронной микроскопии и обнаружили, что напечатанные микроскопические зерна материала были заменены "столбчатыми" зернами, или длинными кристаллоподобными областями, которые были значительно больше исходных зерен.
"Мы полностью изменили структуру, - говорит ведущий автор исследования Доминик Пичи. - Мы показали, что можем увеличить размер зерна на порядки, до массивных столбчатых зерен, что теоретически должно привести к значительному улучшению свойств при ползучести".
Команда также показала, что может манипулировать скоростью вытягивания и температурой стержневых образцов для регулирования растущих зерен материала, создавая области с определенным размером и ориентацией зерен. Такой уровень контроля, говорит Кордеро, может позволить производителям печатать лопатки турбин с конкретными микроструктурами, устойчивыми к определенным условиям эксплуатации.
В рамках продолжения исследования Кордеро планирует протестировать термообработку на 3D-печатных геометриях, более похожих на лопатки турбин. Команда также изучает способы увеличения скорости протяжки, а также проверяет устойчивость термообработанной структуры к ползучести.
поделиться статьей с друзьями
добавить сообщение