Các tổ chức phi lợi nhuận, giới truyền thông và công chúng có thể tải xuống các hình ảnh từ trang web của Văn phòng báo chí MIT theo Giấy phép phi thương mại, phi phái sinh của Creative Commons Attribution.Bạn không được sửa đổi các hình ảnh được cung cấp, chỉ cắt chúng theo kích thước chính xác.Tín dụng phải được sử dụng khi sao chép hình ảnh;Tín dụng "MIT" cho hình ảnh trừ khi được ghi chú bên dưới.
Một phương pháp xử lý nhiệt mới được phát triển tại MIT làm thay đổi cấu trúc vi mô của kim loại in 3D, làm cho vật liệu bền hơn và chống lại các điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt hơn.Công nghệ này có thể cho phép in 3D các cánh và cánh quạt hiệu suất cao cho tua-bin khí và động cơ phản lực tạo ra điện, cho phép các thiết kế mới giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và sử dụng năng lượng hiệu quả.
Các cánh tuabin khí ngày nay được chế tạo bằng quy trình đúc truyền thống, trong đó kim loại nóng chảy được đổ vào các hình dạng phức tạp và đông đặc theo hướng.Các thành phần này được làm từ một số hợp kim kim loại chịu nhiệt tốt nhất trên hành tinh, vì chúng được thiết kế để quay với tốc độ cao trong khí cực nóng, trích xuất công việc để tạo ra điện trong các nhà máy điện và cung cấp lực đẩy cho động cơ phản lực.
Ngày càng có nhiều mối quan tâm đến việc sản xuất các cánh quạt tua-bin bằng cách sử dụng in 3D, ngoài các lợi ích về môi trường và kinh tế, còn cho phép các nhà sản xuất nhanh chóng sản xuất các cánh quạt có hình dạng phức tạp hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.Nhưng những nỗ lực để in 3D cánh quạt tuabin vẫn chưa vượt qua được một trở ngại lớn: khó khăn.
Trong luyện kim, rão được hiểu là xu hướng biến dạng không thể phục hồi của kim loại dưới ứng suất cơ học liên tục và nhiệt độ cao.Trong khi các nhà nghiên cứu đang khám phá khả năng in các cánh tuabin, họ phát hiện ra rằng quy trình in tạo ra các hạt mịn có kích thước từ hàng chục đến hàng trăm micromet—một cấu trúc vi mô đặc biệt dễ bị rão.
Zachary Cordero, giáo sư hàng không vũ trụ của Boeing tại MIT cho biết: “Trong thực tế, điều này có nghĩa là tuabin khí sẽ có tuổi thọ ngắn hơn hoặc kém kinh tế hơn.“Đây là những kết quả tồi tệ tốn kém.”
Cordero và các đồng nghiệp đã tìm ra cách cải thiện cấu trúc của hợp kim in 3D bằng cách thêm một bước xử lý nhiệt bổ sung để biến các hạt mịn của vật liệu in thành các hạt “cột” lớn hơn – một vi cấu trúc mạnh hơn giúp giảm thiểu khả năng rão của vật liệu.vật liệu bởi vì các “trụ” thẳng hàng với trục của ứng suất tối đa.Các nhà nghiên cứu cho biết, phương pháp được vạch ra ngày hôm nay trong Sản xuất bồi đắp mở đường cho việc in 3D công nghiệp các cánh tuabin khí.
Cordero cho biết: “Trong tương lai gần, chúng tôi hy vọng các nhà sản xuất tuabin khí sẽ in cánh quạt của họ trong các nhà máy sản xuất phụ gia quy mô lớn và sau đó xử lý hậu kỳ chúng bằng phương pháp xử lý nhiệt của chúng tôi”.“In 3D sẽ cho phép các kiến trúc làm mát mới có thể tăng hiệu suất nhiệt của tua-bin, cho phép chúng tạo ra cùng một lượng điện năng trong khi đốt ít nhiên liệu hơn và cuối cùng thải ra ít carbon dioxide hơn.”
Nghiên cứu của Cordero được đồng tác giả bởi các tác giả chính Dominic Pichi, Christopher Carter và Andres Garcia-Jiménez của Viện Công nghệ Massachusetts, Anugrahapradha Mukundan và Marie-Agatha Sharpan của Đại học Illinois tại Urbana-Champaign và Donovan Leonard của Oak Phòng thí nghiệm quốc gia Ridge.
Phương pháp mới của nhóm nghiên cứu là một hình thức tái kết tinh định hướng, một phương pháp xử lý nhiệt di chuyển vật liệu qua vùng nóng với tốc độ được kiểm soát chính xác, hợp nhất nhiều hạt cực nhỏ của vật liệu thành các tinh thể lớn hơn, mạnh hơn và đồng nhất hơn.
Kết tinh lại theo hướng đã được phát minh ra hơn 80 năm trước và được áp dụng cho các vật liệu có thể biến dạng.Trong nghiên cứu mới của họ, một nhóm MIT đã áp dụng phương pháp tái kết tinh trực tiếp cho các siêu hợp kim được in 3D.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp này trên các siêu hợp kim dựa trên niken được in 3D, kim loại thường được đúc và sử dụng trong tua-bin khí.Trong một loạt các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đặt các mẫu siêu hợp kim giống như thanh in 3D trong bể nước ở nhiệt độ phòng ngay bên dưới cuộn dây cảm ứng.Họ từ từ kéo từng thanh ra khỏi nước và đưa nó qua một cuộn dây ở các tốc độ khác nhau, làm nóng đáng kể các thanh đến nhiệt độ từ 1200 đến 1245 độ C.
Họ phát hiện ra rằng việc kéo thanh ở một tốc độ nhất định (2,5 mm mỗi giờ) và ở một nhiệt độ nhất định (1235 độ C) sẽ tạo ra một gradient nhiệt độ lớn kích hoạt quá trình chuyển đổi trong vi cấu trúc hạt mịn của phương tiện in.
Cordero giải thích: “Vật liệu ban đầu là những hạt nhỏ có khuyết tật gọi là trật khớp, giống như mì spaghetti bị hỏng.“Khi bạn làm nóng vật liệu, những khiếm khuyết này sẽ biến mất và xây dựng lại, và các hạt có thể phát triển.các hạt bằng cách hấp thụ vật liệu bị lỗi và các hạt nhỏ hơn—một quá trình được gọi là tái kết tinh.”
Sau khi làm mát các thanh được xử lý nhiệt, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra cấu trúc vi mô của chúng bằng kính hiển vi quang học và điện tử và phát hiện ra rằng các hạt vi mô được in dấu của vật liệu đã được thay thế bằng các hạt “cột” hoặc các vùng dài giống như tinh thể lớn hơn nhiều so với ban đầu. hạt..
Tác giả chính Dominic Peach cho biết: “Chúng tôi đã tái cấu trúc hoàn toàn.“Chúng tôi cho thấy rằng chúng tôi có thể tăng kích thước hạt lên vài bậc độ lớn để tạo thành một số lượng lớn các hạt cột, về mặt lý thuyết sẽ dẫn đến sự cải thiện đáng kể về đặc tính rão.”
Nhóm nghiên cứu cũng cho thấy rằng họ có thể kiểm soát tốc độ kéo và nhiệt độ của các mẫu que để tinh chỉnh các hạt đang phát triển của vật liệu, tạo ra các vùng có kích thước và hướng hạt cụ thể.Cordero cho biết, mức độ kiểm soát này có thể cho phép các nhà sản xuất in các cánh tuabin với các cấu trúc vi mô dành riêng cho từng địa điểm có thể được điều chỉnh theo các điều kiện vận hành cụ thể.
Cordero có kế hoạch thử nghiệm xử lý nhiệt các bộ phận in 3D gần cánh tuabin hơn.Nhóm nghiên cứu cũng đang tìm cách tăng tốc độ bền kéo cũng như kiểm tra khả năng chống rão của các cấu trúc được xử lý nhiệt.Sau đó, họ suy đoán rằng xử lý nhiệt có thể cho phép ứng dụng thực tế của in 3D để sản xuất các cánh tuabin cấp công nghiệp với hình dạng và hoa văn phức tạp hơn.
Cordero cho biết: “Các cánh quạt và hình dạng cánh quạt mới sẽ làm cho tua-bin khí trên đất liền và cuối cùng là động cơ máy bay tiết kiệm năng lượng hơn.“Từ góc độ cơ bản, điều này có thể làm giảm lượng khí thải CO2 bằng cách cải thiện hiệu quả của các thiết bị này.”
Thời gian đăng bài: 15-11-2022
