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Un nuevo tratamiento térmico desarrollado en el MIT cambia la microestructura de los metales impresos en 3D, lo que hace que el material sea más fuerte y resistente a condiciones térmicas extremas.Esta tecnología podría permitir la impresión en 3D de álabes y álabes de alto rendimiento para turbinas de gas y motores a reacción que generan electricidad, lo que permitiría nuevos diseños para reducir el consumo de combustible y la eficiencia energética.
Los álabes de las turbinas de gas actuales se fabrican mediante un proceso de fundición tradicional en el que el metal fundido se vierte en formas complejas y se solidifica direccionalmente.Estos componentes están hechos de algunas de las aleaciones metálicas más resistentes al calor del planeta, ya que están diseñados para girar a altas velocidades en gases extremadamente calientes, extrayendo trabajo para generar electricidad en las plantas de energía y proporcionar empuje a los motores a reacción.
Existe un interés creciente en la producción de álabes de turbinas mediante impresión 3D que, además de los beneficios ambientales y económicos, permite a los fabricantes producir rápidamente álabes con geometrías más complejas y energéticamente eficientes.Pero los esfuerzos para imprimir álabes de turbina en 3D aún tienen que superar un gran obstáculo: la fluencia.
En metalurgia, la fluencia se entiende como la tendencia de un metal a deformarse irreversiblemente bajo tensión mecánica constante y alta temperatura.Mientras los investigadores exploraban la posibilidad de imprimir álabes de turbina, descubrieron que el proceso de impresión produce granos finos que varían en tamaño de decenas a cientos de micrómetros, una microestructura que es particularmente propensa a la fluencia.
“En la práctica, esto significa que la turbina de gas tendrá una vida más corta o será menos económica”, dijo Zachary Cordero, profesor de aeroespacial de Boeing en el MIT.“Estos son malos resultados costosos”.
Cordero y sus colegas han encontrado una manera de mejorar la estructura de las aleaciones impresas en 3D agregando un paso adicional de tratamiento térmico que convierte los granos finos del material impreso en granos "columnares" más grandes, una microestructura más fuerte que minimiza el potencial de fluencia del material.material porque los “pilares” están alineados con el eje de máxima tensión.El enfoque descrito hoy en Additive Manufacturing allana el camino para la impresión 3D industrial de álabes de turbinas de gas, dicen los investigadores.
“En un futuro cercano, esperamos que los fabricantes de turbinas de gas impriman sus álabes en plantas de fabricación aditiva a gran escala y luego los procesen posteriormente con nuestro tratamiento térmico”, dijo Cordero.“La impresión 3D permitirá nuevas arquitecturas de enfriamiento que pueden aumentar la eficiencia térmica de las turbinas, permitiéndoles producir la misma cantidad de energía mientras queman menos combustible y, en última instancia, emiten menos dióxido de carbono”.
El estudio de Cordero fue escrito en coautoría por los autores principales Dominic Pichi, Christopher Carter y Andrés García-Jiménez del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Anugrahapradha Mukundan y Marie-Agatha Sharpan de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y Donovan Leonard de Oak Laboratorio Nacional Ridge.
El nuevo método del equipo es una forma de recristalización direccional, un tratamiento térmico que mueve el material a través de una zona caliente a una velocidad controlada con precisión, fusionando muchos granos microscópicos del material en cristales más grandes, más fuertes y más uniformes.
La recristalización direccional se inventó hace más de 80 años y se aplicó a materiales deformables.En su nuevo estudio, un equipo del MIT aplicó la recristalización dirigida a las superaleaciones impresas en 3D.
El equipo probó este método en superaleaciones a base de níquel impresas en 3D, metales comúnmente fundidos y utilizados en turbinas de gas.En una serie de experimentos, los investigadores colocaron muestras impresas en 3D de superaleaciones similares a varillas en un baño de agua a temperatura ambiente directamente debajo de una bobina de inducción.Sacaron lentamente cada varilla del agua y la pasaron a través de una bobina a diferentes velocidades, calentando significativamente las varillas a temperaturas que oscilaban entre 1200 y 1245 grados centígrados.
Descubrieron que tirar de la barra a cierta velocidad (2,5 milímetros por hora) y a cierta temperatura (1235 grados Celsius) crea un fuerte gradiente de temperatura que desencadena una transición en la microestructura de grano fino de los medios impresos.
“El material comienza como pequeñas partículas con defectos llamados dislocaciones, como espaguetis rotos”, explicó Cordero.“Cuando calientas el material, estos defectos desaparecen y se reconstruyen, y los granos pueden crecer.granos mediante la absorción de material defectuoso y granos más pequeños, un proceso llamado recristalización”.
Después de enfriar las varillas tratadas térmicamente, los investigadores examinaron su microestructura usando microscopios ópticos y electrónicos y encontraron que los granos microscópicos impresos del material fueron reemplazados por granos "columnares", o regiones largas parecidas a cristales que eran mucho más grandes que las originales. granos.
"Nos reestructuramos por completo", dijo el autor principal Dominic Peach."Demostramos que podemos aumentar el tamaño del grano en varios órdenes de magnitud para formar una gran cantidad de granos columnares, lo que teóricamente debería conducir a una mejora significativa en las propiedades de fluencia".
El equipo también demostró que podían controlar la tasa de tracción y la temperatura de las muestras de varillas para afinar los granos en crecimiento del material, creando regiones de orientación y tamaño de grano específicos.Este nivel de control podría permitir a los fabricantes imprimir álabes de turbinas con microestructuras específicas del sitio que se pueden adaptar a condiciones operativas específicas, dice Cordero.
Cordero planea probar el tratamiento térmico de piezas impresas en 3D más cerca de los álabes de la turbina.El equipo también está buscando formas de acelerar la resistencia a la tracción y probar la resistencia a la fluencia de las estructuras tratadas térmicamente.Luego especulan que el tratamiento térmico podría permitir la aplicación práctica de la impresión 3D para producir álabes de turbina de grado industrial con formas y patrones más complejos.
“Las nuevas palas y la geometría de las palas harán que las turbinas de gas terrestres y, en última instancia, los motores de los aviones sean más eficientes energéticamente”, dijo Cordero.“Desde una perspectiva de referencia, esto podría reducir las emisiones de CO2 al mejorar la eficiencia de estos dispositivos”.
Hora de publicación: 15-nov-2022
