Organisasi nirlaba, media, dan publik dapat mengunduh gambar dari situs web MIT Press Office di bawah lisensi non-komersial, non-derivatif Creative Commons Attribution.Anda tidak boleh memodifikasi gambar yang disediakan, hanya memotongnya ke ukuran yang benar.Kredit harus digunakan saat menyalin gambar;Kredit "MIT" untuk gambar kecuali disebutkan di bawah.
Perlakuan panas baru yang dikembangkan di MIT mengubah struktur mikro logam cetak 3D, membuat material lebih kuat dan lebih tahan terhadap kondisi panas ekstrem.Teknologi ini memungkinkan pencetakan 3D bilah dan baling-baling berkinerja tinggi untuk turbin gas dan mesin jet yang menghasilkan listrik, memungkinkan desain baru untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan efisiensi energi.
Bilah turbin gas saat ini dibuat menggunakan proses pengecoran tradisional di mana logam cair dituangkan ke dalam bentuk yang rumit dan dipadatkan secara terarah.Komponen-komponen ini terbuat dari beberapa paduan logam paling tahan panas di planet ini, karena dirancang untuk berputar dengan kecepatan tinggi dalam gas yang sangat panas, mengekstraksi pekerjaan untuk menghasilkan listrik di pembangkit listrik dan memberikan daya dorong untuk mesin jet.
Ada minat yang meningkat dalam produksi bilah turbin menggunakan pencetakan 3D, yang, selain manfaat lingkungan dan ekonomi, memungkinkan produsen memproduksi bilah dengan geometri yang lebih kompleks dan hemat energi dengan cepat.Namun upaya untuk mencetak bilah turbin 3D belum mengatasi satu rintangan besar: creep.
Dalam metalurgi, mulur dipahami sebagai kecenderungan logam untuk berubah bentuk secara ireversibel di bawah tekanan mekanis konstan dan suhu tinggi.Sementara para peneliti mengeksplorasi kemungkinan pencetakan bilah turbin, mereka menemukan bahwa proses pencetakan menghasilkan butiran halus dengan ukuran mulai dari puluhan hingga ratusan mikrometer — struktur mikro yang sangat rentan merayap.
“Dalam praktiknya, ini berarti turbin gas akan memiliki umur yang lebih pendek atau kurang ekonomis,” kata Zachary Cordero, profesor kedirgantaraan Boeing di MIT."Ini adalah hasil buruk yang mahal."
Cordero dan rekannya telah menemukan cara untuk memperbaiki struktur paduan cetakan 3D dengan menambahkan langkah perlakuan panas tambahan yang mengubah butiran halus dari bahan cetakan menjadi butiran “berkolom” yang lebih besar – struktur mikro yang lebih kuat yang meminimalkan potensi mulur material.material karena "pilar" disejajarkan dengan sumbu tegangan maksimum.Pendekatan yang diuraikan hari ini di Additive Manufacturing membuka jalan bagi pencetakan 3D industri bilah turbin gas, kata para peneliti.
“Dalam waktu dekat, kami mengharapkan produsen turbin gas untuk mencetak bilah mereka di pabrik manufaktur aditif berskala besar dan kemudian memprosesnya menggunakan perlakuan panas kami,” kata Cordero.“Pencetakan 3D akan memungkinkan arsitektur pendinginan baru yang dapat meningkatkan efisiensi termal turbin, memungkinkannya menghasilkan jumlah daya yang sama sambil membakar lebih sedikit bahan bakar dan pada akhirnya mengeluarkan lebih sedikit karbon dioksida.”
Studi Cordero ditulis bersama oleh penulis utama Dominic Pichi, Christopher Carter, dan Andres Garcia-Jiménez dari Institut Teknologi Massachusetts, Anugrahapradha Mukundan dan Marie-Agatha Sharpan dari Universitas Illinois di Urbana-Champaign, dan Donovan Leonard dari Oak Laboratorium Nasional Ridge.
Metode baru tim adalah bentuk rekristalisasi terarah, perlakuan panas yang memindahkan material melalui zona panas dengan kecepatan yang dikontrol secara tepat, menggabungkan banyak butiran mikroskopis material menjadi kristal yang lebih besar, lebih kuat, dan lebih seragam.
Rekristalisasi terarah ditemukan lebih dari 80 tahun yang lalu dan diterapkan pada bahan yang dapat dideformasi.Dalam studi baru mereka, tim MIT telah menerapkan rekristalisasi terarah ke superalloy cetak 3D.
Tim menguji metode ini pada superalloy berbasis nikel cetak 3D, logam yang biasa dicetak dan digunakan dalam turbin gas.Dalam serangkaian percobaan, para peneliti menempatkan sampel cetakan 3D dari superalloy mirip batang di bak air suhu kamar tepat di bawah koil induksi.Mereka perlahan-lahan menarik setiap batang keluar dari air dan melewatkannya melalui kumparan dengan kecepatan berbeda, memanaskan batang secara signifikan hingga suhu berkisar antara 1200 hingga 1245 derajat Celcius.
Mereka menemukan bahwa menarik batang pada kecepatan tertentu (2,5 milimeter per jam) dan pada suhu tertentu (1235 derajat Celcius) menciptakan gradien suhu yang curam yang memicu transisi dalam struktur mikro media cetak yang halus.
“Bahannya dimulai sebagai partikel kecil dengan cacat yang disebut dislokasi, seperti spageti yang pecah,” jelas Cordero.“Saat Anda memanaskan material, cacat ini hilang dan terbentuk kembali, dan biji-bijian dapat tumbuh.biji-bijian dengan menyerap bahan yang rusak dan biji-bijian yang lebih kecil — suatu proses yang disebut rekristalisasi.
Setelah mendinginkan batang yang diberi perlakuan panas, para peneliti memeriksa mikrostrukturnya menggunakan mikroskop optik dan elektron dan menemukan bahwa butiran mikroskopis yang dicetak dari bahan tersebut digantikan oleh butiran "kolumnar", atau daerah panjang seperti kristal yang jauh lebih besar dari aslinya. biji-bijian..
“Kami sepenuhnya merestrukturisasi,” kata penulis utama Dominic Peach.“Kami menunjukkan bahwa kami dapat meningkatkan ukuran butir beberapa kali lipat untuk membentuk sejumlah besar butir kolumnar, yang secara teoritis akan mengarah pada peningkatan yang signifikan dalam sifat mulur.”
Tim juga menunjukkan bahwa mereka dapat mengontrol laju tarikan dan suhu sampel batang untuk menyempurnakan pertumbuhan butiran material, menciptakan wilayah dengan ukuran dan orientasi butiran tertentu.Tingkat kontrol ini memungkinkan pabrikan untuk mencetak bilah turbin dengan struktur mikro spesifik lokasi yang dapat disesuaikan dengan kondisi operasi tertentu, kata Cordero.
Cordero berencana untuk menguji perlakuan panas bagian cetakan 3D lebih dekat ke bilah turbin.Tim ini juga mencari cara untuk mempercepat kekuatan tarik serta menguji ketahanan mulur dari struktur yang diberi perlakuan panas.Mereka kemudian berspekulasi bahwa perlakuan panas dapat memungkinkan aplikasi praktis pencetakan 3D untuk menghasilkan bilah turbin tingkat industri dengan bentuk dan pola yang lebih kompleks.
“Bilah dan geometri bilah baru akan membuat turbin gas berbasis darat dan, pada akhirnya, mesin pesawat lebih hemat energi,” kata Cordero.“Dari perspektif dasar, ini dapat mengurangi emisi CO2 dengan meningkatkan efisiensi perangkat ini.”
Waktu posting: Nov-15-2022
