Μια τεχνική που μετασχηματίζει τη μικροδομή των μετάλλων μπορεί να επιτρέψει την ενεργειακά αποδοτική τρισδιάστατη εκτύπωση λεπίδων για αεριοστρόβιλους ή κινητήρες αεροσκαφών.
Μια νέα θερμική κατεργασία που αναπτύχθηκε στο MIT μετασχηματίζει τη μικροδομή τρισδιάστατα εκτυπωμένων μετάλλων, καθιστώντας τα ισχυρότερα και πιο ανθεκτικά σε ακραία θερμοκρασιακά περιβάλλοντα. Η τεχνική θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή την τρισδιάστατη εκτύπωση λεπίδων και πτερυγίων υψηλής απόδοσης για αεριοστρόβιλους παραγωγής ενέργειας και κινητήρες αεροσκαφών, κάτι που θα επέτρεπε νέες αρχιτεκτονικές σχεδίασης με βελτιωμένη κατανάλωση καυσίμου και ενεργειακή απόδοση.
Τα σημερινά πτερύγια αεριοστροβίλων κατασκευάζονται μέσω συμβατικών διεργασιών χύτευσης, κατά τις οποίες το τηγμένο μέταλλο εγχύεται σε καλούπια ειδικού σχήματος και στερεοποιείται. Τα εξαρτήματα αυτά είναι κατασκευασμένα από ιδιαίτερα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα μετάλλων, καθώς είναι σχεδιασμένα να περιστρέφονται με υψηλές ταχύτητες σε περιβάλλον εξαιρετικά θερμών αερίων, με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ηλεκτροπαραγωγικούς σταθμούς, αλλά και την παραγωγή ώθησης σε κινητήρες αεροσκαφών.
Επί του παρόντος, υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για την κατασκευή πτερυγίων στροβίλων μέσω της τρισδιάστατης εκτύπωσης, η οποία, εκτός από τα περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη που παρουσιάζει, θα μπορούσε να επιτρέψει στους κατασκευαστές να παράγουν ταχύτερα πιο περίπλοκες και ενεργειακά πιο αποδοτικές γεωμετρίες λεπίδων. Αλλά οι προσπάθειες για τρισδιάστατη εκτύπωση πτερυγίων στροβίλων δεν έχουν ακόμη ξεπεράσει ένα μεγάλο εμπόδιο: τον ερπυσμό.
Στη μεταλλουργία, ο ερπυσμός αναφέρεται στην τάση ενός μετάλλου να παραμορφώνεται μόνιμα κατά την εφαρμογή επίμονης μηχανικής καταπόνησης και υψηλών θερμοκρασιών. Ερευνητές έχουν προβεί σε μελέτες των πτερυγίων στροβίλων που παράγονται μέσω της τρισδιάστατης εκτύπωσης και ανακάλυψαν ότι η διαδικασία εκτύπωσης παράγει λεπτούς κόκκους της τάξης των δεκάδων έως εκατοντάδων μικρών σε μέγεθος, μια μικροδομή που είναι ιδιαίτερα ευάλωτη στον ερπυσμό.
«Στην πράξη, αυτό θα σήμαινε ότι ένας αεριοστρόβιλος θα είχε μικρότερη διάρκεια ζωής ή μικρότερη απόδοση καυσίμου», λέει ο Zachary Cordero, Καθηγητής Αεροναυπηγικής και Αεροδιαστημικής στο MIT. «Αυτά είναι δαπανηρά και ανεπιθύμητα αποτελέσματα».
Ο Cordero και οι συνεργάτες του βρήκαν έναν τρόπο να βελτιώσουν τη δομή των τρισδιάστατα εκτυπωμένων κραμάτων, προσθέτοντας ένα βήμα θερμικής κατεργασίας, το οποίο μετατρέπει τους μικροσκοπικούς κόκκους του εκτυπωμένου υλικού σε πολύ μεγαλύτερους κόκκους που έχουν τη μορφή «στήλης», μια πιο ανθεκτική μικροδομή που ελαχιστοποιεί την πιθανότητα εμφάνισης ερπυσμού στο υλικό, αφού οι «στήλες» είναι ευθυγραμμισμένες με τον άξονα που εμφανίζει τις ισχυρότερες τάσεις λειτουργίας. Οι ερευνητές λένε ότι η μέθοδος, που περιγράφεται στο περιοδικό Additive Manufacturing, ανοίγει το δρόμο για τη βιομηχανική τρισδιάστατη εκτύπωση πτερυγίων αεριοστροβίλων.
«Στο εγγύς μέλλον, οραματιζόμαστε ότι οι κατασκευαστές αεριοστροβίλων θα εκτυπώνουν τις λεπίδες και τα πτερύγια τους σε μεγάλης κλίμακας εργοστάσια τρισδιάστατης εκτύπωσης και στη συνέχεια θα τα κατεργάζονται με τη μέθοδο θερμικής κατεργασίας που προτείνουμε», λέει ο Cordero. «Η τρισδιάστατη εκτύπωση θα επιτρέψει νέες αρχιτεκτονικές ψύξης των πτερυγίων που μπορούν να βελτιώσουν τη θερμική απόδοση ενός στροβίλου, έτσι ώστε να παράγει την ίδια ποσότητα ισχύος, ενώ καταναλώνει λιγότερο καύσιμο και, τελικά, εκπέμπει λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα».
Οι συν-συγγραφείς, εκτός του Cordero, στη μελέτη είναι ο επικεφαλής συγγραφέας Dominic Peachey, ο Christopher Carter και ο Andres Garcia-Jimenez του MIT, η Anugrahaprada Mukundan και η Marie-Agathe Charpagne του Πανεπιστημίου του Illinois, Urbana-Champaign και ο Donovan Leonard του Oak Ridge National Laboratory.
Ενεργοποίηση του μετασχηματισμού
Η νέα μέθοδος είναι μια μορφή ανακρυστάλλωσης, μια θερμικής κατεργασίας που ωθεί ένα υλικό μέσω μιας θερμής ζώνης με ελεγχόμενη ταχύτητα για να συγχωνεύσει τους πολλούς μικροσκοπικούς κόκκους του σε μεγαλύτερους, πιο ανθεκτικούς και πιο ομοιόμορφους κρυστάλλους. Αυτού του τύπου η ανακρυστάλλωση εφευρέθηκε πριν από περισσότερα από 80 χρόνια και έχει εφαρμοστεί σε σφυρήλατα υλικά. Στη νέα της μελέτη, η ομάδα του MIT προσάρμοσε την ανακρυστάλλωση σε τρισδιάστατα εκτυπωμένα υπερκράματα.
Η ομάδα δοκίμασε τη μέθοδο σε τρισδιάστατα εκτυπωμένα υπερκράματα με βάση το νικέλιο, υλικά που συνήθως χυτεύονται και χρησιμοποιούνται σε αεριοστρόβιλους. Σε μια σειρά δοκιμών, οι ερευνητές τοποθέτησαν τρισδιάστατα εκτυπωμένα δείγματα υπερκραμάτων σε σχήμα ράβδου σε ένα λουτρό νερού, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, τοποθετημένο ακριβώς κάτω από ένα επαγωγικό πηνίο. Τραβούσαν αργά κάθε ράβδο έξω από το νερό και μέσα από το πηνίο με διάφορες ταχύτητες, θερμαίνοντας τις ράβδους σε θερμοκρασίες που κυμαίνονταν μεταξύ 1.200 και 1.245 βαθμών Κελσίου.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η έλκυση των ράβδων με μια συγκεκριμένη ταχύτητα (2,5mm/h) και σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία (1.235 βαθμοί Κελσίου), δημιούργησε μια απότομη θερμική διαφορά που προκάλεσε το μετασχηματισμό στην εκτυπωμένη, λεπτόκοκκη μικροδομή του υλικού.
«Το υλικό ξεκινάει ως μικροί κόκκοι με παράλληλη παρουσία ελαττωμάτων (dislocations) στη δομή», εξηγεί ο Cordero. «Όταν το υλικό θερμαίνεται, αυτά τα δομικά ελαττώματα μπορούν να εξαλειφθούν. Επιμηκύνουμε συνεχώς τους κόκκους εξαλείφοντας τα ελαττώματα και τους μικρότερους κόκκους, μια διαδικασία που ονομάζεται ανακρυστάλλωση».
Μελλοντικές ενέργειες
Μετά την ψύξη των ράβδων που υποβλήθηκαν στη νέα θερμική κατεργασία, οι ερευνητές εξέτασαν τη μικροδομή τους χρησιμοποιώντας οπτική και ηλεκτρονική μικροσκοπία και διαπίστωσαν ότι οι εκτυπωμένοι μικροσκοπικοί κόκκοι του υλικού αντικαταστάθηκαν με κόκκους με τη μορφή «στηλών» ή περιοχές μεγάλου μήκους που προσομοιάζουν με κρύσταλλο και οι οποίες ήταν σημαντικά μεγαλύτερες από τους αρχικούς κόκκους.
«Έχουμε αλλάξει εντελώς τη δομή», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Dominic Peachey. «Δείχνουμε ότι μπορούμε να αυξήσουμε το μέγεθος των κόκκων κατά τάξεις μεγέθους, σε τεράστιους κιονοειδείς κόκκους, οι οποίοι θεωρητικά θα πρέπει να οδηγήσουν σε δραματικές βελτιώσεις στις ιδιότητες ερπυσμού».
Η ερευνητική ομάδα έδειξε επίσης ότι μπορούσε να χειριστεί την ταχύτητα έλξης και τη θερμοκρασία των δειγμάτων για να ελέγξει την ανάπτυξη των κόκκων, δημιουργώντας περιοχές με συγκεκριμένο μέγεθος κόκκων και προσανατολισμό. Αυτό το επίπεδο ελέγχου, λέει ο Cordero, μπορεί να επιτρέψει στους κατασκευαστές να εκτυπώσουν πτερύγια στροβίλων με μικροδομές ανά τμήμα του πτερυγίου με σκοπό την ανθεκτικότητα σε συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας.
Ο Cordero σχεδιάζει να δοκιμάσει τη θερμική κατεργασία σε τρισδιάστατα εκτυπωμένες γεωμετρίες που μοιάζουν περισσότερο με πτερύγια στροβίλου. Η ομάδα διερευνά επίσης τρόπους για να επιταχύνει τον ρυθμό εφελκυσμού, καθώς και να δοκιμάσει την αντίσταση μιας θερμικά κατεργασμένης κατασκευής στον ερπυσμό. Στη συνέχεια, οραματίζονται ότι η νέα θερμική κατεργασία θα μπορούσε να επιτρέψει την πρακτική εφαρμογή της τρισδιάστατης εκτύπωσης για την παραγωγή λεπίδων αεριοστροβίλων βιομηχανικής ποιότητας, με πιο πολύπλοκα σχήματα και σχέδια.
«Οι νέες γεωμετρίες λεπίδων και πτερυγίων θα επιτρέψουν ενεργειακά πιο αποδοτικούς χερσαίους αεριοστρόβιλους, καθώς και, τελικά, στροβίλους για κινητήρες αεροσκαφών», σημειώνει ο Cordero. «Αυτό θα μπορούσε με τη σειρά του να οδηγήσει σε χαμηλότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, μόνο και μόνο μέσω της βελτιωμένης απόδοσης των στροβιλομηχανών».
Με πληροφορίες από mit.edu
