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MIT で開発された新しい熱処理は、3D プリントされた金属の微細構造を変化させ、材料をより強くし、極端な熱条件に対する耐性を高めます。この技術により、発電するガス タービンやジェット エンジンの高性能ブレードとベーンの 3D プリントが可能になり、燃料消費とエネルギー効率を削減する新しい設計が可能になります。
今日のガス タービン ブレードは、溶融金属を複雑な形状に流し込み、一方向凝固させる従来の鋳造プロセスを使用して製造されています。これらのコンポーネントは、地球上で最も耐熱性の高い金属合金で作られています。非常に高温のガスの中で高速で回転するように設計されており、発電所で電気を生成し、ジェット エンジンに推力を提供するために仕事を抽出します。
3D プリントを使用したタービン ブレードの製造への関心が高まっています。これにより、製造業者は、環境および経済的な利点に加えて、より複雑でエネルギー効率の高い形状のブレードを迅速に製造できます。しかし、タービン ブレードを 3D プリントする取り組みは、クリープという 1 つの大きなハードルをまだ克服していません。
冶金学では、クリープは一定の機械的応力と高温下で金属が不可逆的に変形する傾向として理解されています。研究者は、タービン ブレードを印刷する可能性を探っていたときに、印刷プロセスが数十から数百マイクロメートルのサイズの微細な粒子を生成することを発見しました。これは、特にクリープしやすい微細構造です。
「実際には、これはガスタービンの寿命が短くなるか、経済性が低下することを意味します」と、マサチューセッツ工科大学の航空宇宙のボーイング教授であるザカリー・コルデロは述べています。「これらは代償の大きい悪い結果です。」
Cordero と同僚は、3D プリントされた合金の構造を改善する方法を発見しました。追加の熱処理ステップを追加することで、プリントされた材料の微細な粒子をより大きな「柱状」粒子 (材料のクリープの可能性を最小限に抑える、より強力な微細構造) に変えることができます。「柱」が最大応力の軸に整列しているためです。アディティブ マニュファクチャリングで本日概説されたアプローチは、ガス タービン ブレードの産業用 3D プリントへの道を開く、と研究者は述べています。
「近い将来、ガス タービン メーカーは、大規模な付加製造工場でブレードを印刷し、その後、当社の熱処理を使用して後処理することを期待しています」と Cordero 氏は述べています。「3D プリントは、タービンの熱効率を高めることができる新しい冷却アーキテクチャを可能にし、燃料の燃焼を減らし、最終的に二酸化炭素の排出量を減らしながら、同じ量の電力を生成できるようにします。」
Cordero の研究は、主執筆者であるマサチューセッツ工科大学の Dominic Pichi、Christopher Carter、Andres Garcia-Jiménez、イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の Anugrahapradha Mukundan と Marie-Agatha Sharpan、および The Oak の Donovan Leonard によって共同執筆されました。リッジ国立研究所。
チームの新しい方法は、方向性再結晶化の一形態であり、正確に制御された速度で材料をホットゾーンに移動させ、材料の多くの微視的な粒子をより大きく、より強く、より均一な結晶に融合させる熱処理です。
方向性再結晶は 80 年以上前に発明され、変形可能な材料に適用されました。新しい研究では、MIT のチームが 3D プリントされた超合金に方向性再結晶を適用しました。
チームは、3D プリントされたニッケルベースの超合金、一般的に鋳造され、ガスタービンで使用される金属でこの方法をテストしました。一連の実験で、研究者は誘導コイルの真下にある室温の水浴に棒状の超合金の 3D プリント サンプルを配置しました。彼らは各棒を水からゆっくりと引き出し、異なる速度でコイルに通し、棒を摂氏1200度から1245度の範囲の温度に大幅に加熱しました。
彼らは、特定の速度 (毎時 2.5 ミリメートル) と特定の温度 (摂氏 1235 度) でロッドを引っ張ると、印刷媒体の微細な微細構造の遷移を引き起こす急な温度勾配が生じることを発見しました。
「材料は、壊れたスパゲッティのように、転位と呼ばれる欠陥を持つ小さな粒子として始まります」と Cordero 氏は説明します。「材料を加熱すると、これらの欠陥が消えて再構築され、粒子が成長します。欠陥のある材料とより小さな粒子を吸収することによって粒子を再結晶化するプロセス.
熱処理されたロッドを冷却した後、研究者は光学顕微鏡と電子顕微鏡を使用して微細構造を調べ、材料の刻印された微細な粒子が「柱状」粒子、または元よりもはるかに大きい長い結晶のような領域に置き換えられたことを発見しました。穀類。.
主執筆者のドミニク・ピーチ氏は、「私たちは完全に再構築しました。「粒子サイズを数桁大きくして、多数の柱状粒子を形成できることを示しました。理論的には、クリープ特性の大幅な改善につながるはずです。」
チームはまた、ロッドサンプルの引き上げ速度と温度を制御して、材料の成長する粒子を微調整し、特定の粒子サイズと方向の領域を作成できることを示しました。このレベルの制御により、メーカーは、特定の動作条件に合わせて調整できるサイト固有の微細構造を持つタービン ブレードを印刷できるようになる可能性がある、と Cordero 氏は言います。
Cordero は、タービン ブレードに近い 3D プリント部品の熱処理をテストする予定です。チームはまた、熱処理された構造の耐クリープ性をテストするだけでなく、引張強度を加速する方法も検討しています。次に、熱処理によって 3D プリントを実際に応用して、より複雑な形状やパターンを備えた工業用タービン ブレードを製造できるようになる可能性があると推測しています。
「新しいブレードとブレード形状により、陸上のガス タービン、そして最終的には航空機エンジンのエネルギー効率が向上します」と Cordero 氏は述べています。「ベースラインの観点から、これはこれらのデバイスの効率を改善することによって CO2 排出量を削減する可能性があります。」
投稿時間: 2022 年 11 月 15 日
