Rekristallisationswärmebehandlungstechnologie

Ein dünner Stab aus einer 3D-gedruckten Superlegierung wird aus einem Wasserbad gezogen und durch eine Induktionsspule geführt, wo er auf eine Temperatur erhitzt wird, die seine Mikrostruktur verändert und das Material elastischer macht.

Gasturbinenschaufeln werden üblicherweise mit traditionellen Gussverfahren hergestellt. Hersteller gießen geschmolzenes Metall in komplexe Formen, damit es gerichtet erstarren kann, und verwenden dann verschiedene Bearbeitungswerkzeuge, um die endgültigen Metallteile fertigzustellen. Die Rotorblätter müssen sich in extrem heißen Gasen mit hoher Geschwindigkeit drehen können, um in Kraftwerken Strom zu erzeugen und Strahltriebwerken Schub zu verleihen.

Es besteht jedoch ein wachsendes Interesse an der Herstellung von Turbinenschaufeln mittels 3D-Druck, einer Methode, die umweltfreundlich und kostengünstig ist und es Herstellern ermöglicht, komplexere und energieeffizientere Schaufelgeometrien herzustellen. Leider gibt es eine große Hürde zu überwinden: Kriechen.

Kriechen ist die Tendenz von Metallen, sich unter anhaltender mechanischer Belastung und erhöhten Temperaturen dauerhaft zu verformen. Frühere Untersuchungen haben ergeben, dass beim 3D-Druckverfahren feine Partikel mit einer Größe von mehreren zehn bis mehreren Hundert Mikrometern entstehen. Obwohl diese Mikrostruktur mit bloßem Auge kaum sichtbar ist, ist sie besonders anfällig für Kriechen.

„In der Praxis bedeutet dies, dass die Gasturbinen eine kürzere Lebensdauer haben oder weniger treibstoffeffizient sind“, erklärt Zachary Cordero, Boeing Career Development Professor für Luft- und Raumfahrt am MIT.

Um dieses Problem zu lösen, fanden Cordero und Kollegen einen Weg, die Struktur von 3D-gedruckten Legierungen zu verbessern, indem sie einen neuen Wärmebehandlungsschritt hinzufügten. Diese Methode wandelt die feinen Körner des gedruckten Materials in größere „säulenförmige“ Körner um, eine stärkere Mikrostruktur, die das Kriechen im Material minimiert. Die Kornsäulen sind auf die Achse maximaler Beanspruchung ausgerichtet.

Die Autoren der neuen Studie behaupten, dass eine neue Wärmebehandlungsmethode den industriellen 3D-Druck von Gasturbinenschaufeln revolutionieren könnte.

Cordero sagte: „Wir gehen davon aus, dass Gasturbinenhersteller in naher Zukunft ihre Schaufeln und Leitschaufeln in großen additiven Fertigungsanlagen drucken und sie dann mithilfe unserer Wärmebehandlung nachbearbeiten werden. Der 3D-Druck wird neue Kühlarchitekturen ermöglichen, die die thermische Effizienz verbessern.“ Turbine, wodurch die gleiche Menge Strom erzeugt wird, gleichzeitig weniger Treibstoff verbrannt wird und letztendlich weniger Kohlendioxid ausgestoßen wird.“

Aufbau der gerichteten Rekristallisation. Entfernen Sie die Probe durch die heiße Zone aus dem Kühlmittel. Der steile Wärmegradient vor der heißen Zone sorgt für eine hohe Versetzungsdichte, die zur Rekristallisationsfront führt.

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