بفضل المعالجة الحرارية الجديدة ، يمكن للمعدن المطبوع ثلاثي الأبعاد أن يتحمل الظروف القاسية |أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

يجوز للمنظمات غير الهادفة للربح ووسائل الإعلام والجمهور تنزيل الصور من موقع MIT Press Office على الويب بموجب ترخيص Creative Commons Attribution غير تجاري وغير مشتق.يجب عدم تعديل الصور المقدمة ، فقط قم بقصها بالحجم الصحيح.يجب استخدام الاعتمادات عند نسخ الصور ؛رصيد "MIT" للصور ما لم يذكر أدناه.
تعمل المعالجة الحرارية الجديدة التي تم تطويرها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على تغيير البنية المجهرية للمعادن المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، مما يجعل المادة أقوى وأكثر مقاومة للظروف الحرارية الشديدة.يمكن أن تتيح هذه التقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للشفرات والريش عالية الأداء لتوربينات الغاز والمحركات النفاثة التي تولد الكهرباء ، مما يتيح تصميمات جديدة لتقليل استهلاك الوقود وكفاءة الطاقة.
يتم تصنيع شفرات التوربينات الغازية الحالية باستخدام عملية الصب التقليدية التي يتم فيها صب المعدن المنصهر في أشكال معقدة ويتم ترسيخه اتجاهيًا.هذه المكونات مصنوعة من بعض السبائك المعدنية الأكثر مقاومة للحرارة على كوكب الأرض ، حيث إنها مصممة للدوران بسرعات عالية في غازات شديدة الحرارة ، واستخراج العمل لتوليد الكهرباء في محطات توليد الطاقة وتوفير الدفع للمحركات النفاثة.
هناك اهتمام متزايد بإنتاج شفرات التوربينات باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي ، بالإضافة إلى الفوائد البيئية والاقتصادية ، تتيح للمصنعين إنتاج الشفرات بسرعة باستخدام أشكال هندسية أكثر تعقيدًا وكفاءة في استخدام الطاقة.لكن الجهود المبذولة لطباعة شفرات التوربينات ثلاثية الأبعاد لم تتغلب بعد على عقبة كبيرة واحدة: الزحف.
في علم المعادن ، يُفهم الزحف على أنه ميل المعدن للتشوه بشكل لا رجعة فيه تحت ضغط ميكانيكي ثابت ودرجة حرارة عالية.بينما كان الباحثون يستكشفون إمكانية طباعة شفرات التوربينات ، وجدوا أن عملية الطباعة تنتج حبيبات دقيقة تتراوح في الحجم من عشرات إلى مئات الميكرومترات - وهي بنية مجهرية معرضة بشكل خاص للزحف.
قال زاكاري كورديرو ، أستاذ طيران بوينج في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "من الناحية العملية ، هذا يعني أن التوربين الغازي سيكون له عمر أقصر أو سيكون أقل اقتصادا"."هذه نتائج سيئة مكلفة."
وجد Cordero وزملاؤه طريقة لتحسين بنية السبائك المطبوعة ثلاثية الأبعاد عن طريق إضافة خطوة معالجة حرارية إضافية تحول الحبيبات الدقيقة للمادة المطبوعة إلى حبيبات "عمودية" أكبر - وهي بنية مجهرية أقوى تقلل من إمكانية زحف المادة.مادة لأن "الأعمدة" تتماشى مع محور أقصى إجهاد.يقول الباحثون إن النهج الموضح اليوم في التصنيع الإضافي يمهد الطريق للطباعة الصناعية ثلاثية الأبعاد لشفرات التوربينات الغازية.
قال كورديرو: "في المستقبل القريب ، نتوقع أن يقوم مصنعو توربينات الغاز بطباعة شفراتهم في مصانع تصنيع المواد المضافة واسعة النطاق ثم معالجتها بعد ذلك باستخدام المعالجة الحرارية لدينا"."ستتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء بنى تبريد جديدة يمكنها زيادة الكفاءة الحرارية للتوربينات ، مما يسمح لها بإنتاج نفس القدر من الطاقة مع حرق وقود أقل وفي النهاية انبعاثات أقل لثاني أكسيد الكربون."
شارك في تأليف دراسة كورديرو المؤلفون الرئيسيون دومينيك بيتشي وكريستوفر كارتر وأندريس جارسيا خيمينيز من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأنوجراهابرادها موكوندان وماري أجاثا شاربان من جامعة إلينوي في أوربانا شامبين ودونوفان ليونارد من أوك مختبر ريدج الوطني.
الطريقة الجديدة للفريق هي شكل من أشكال إعادة التبلور الاتجاهي ، وهي معالجة حرارية تنقل المواد عبر منطقة ساخنة بمعدل يتم التحكم فيه بدقة ، وتدمج العديد من الحبيبات المجهرية للمادة في بلورات أكبر وأقوى وأكثر اتساقًا.
تم اختراع إعادة التبلور الاتجاهي منذ أكثر من 80 عامًا وتم تطبيقه على المواد القابلة للتشوه.في دراستهم الجديدة ، طبق فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إعادة التبلور الموجه على السبائك الفائقة المطبوعة ثلاثية الأبعاد.
اختبر الفريق هذه الطريقة على السبائك الفائقة المصنوعة من النيكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، والمعادن المصبوبة والمستخدمة بشكل شائع في توربينات الغاز.في سلسلة من التجارب ، وضع الباحثون عينات مطبوعة ثلاثية الأبعاد من السبائك الفائقة الشبيهة بالقضيب في حمام مائي بدرجة حرارة الغرفة أسفل ملف الحث مباشرة.قاموا بسحب كل قضيب ببطء من الماء ومرروه عبر ملف بسرعات مختلفة ، مما أدى إلى تسخين القضبان إلى درجات حرارة تتراوح من 1200 إلى 1245 درجة مئوية.
وجدوا أن سحب القضيب بسرعة معينة (2.5 ملم في الساعة) وعند درجة حرارة معينة (1235 درجة مئوية) يخلق تدرجًا شديد الانحدار في درجة الحرارة يؤدي إلى تحول في البنية الدقيقة الدقيقة لوسائط الطباعة.
وأوضح كورديرو أن "المادة تبدأ كجزيئات صغيرة بها عيوب تسمى الخلع ، مثل السباغيتي المكسورة".عندما تقوم بتسخين المادة ، تختفي هذه العيوب وتعيد البناء ، ويمكن للحبوب أن تنمو.الحبوب عن طريق امتصاص المواد المعيبة والحبوب الصغيرة - وهي عملية تسمى إعادة التبلور ".
بعد تبريد القضبان المعالجة بالحرارة ، فحص الباحثون بنيتها المجهرية باستخدام المجاهر الضوئية والإلكترونية ووجدوا أن الحبيبات المجهرية المطبوعة للمادة استبدلت بحبيبات "عمودية" ، أو مناطق طويلة تشبه البلورات كانت أكبر بكثير من الأصلية. بقوليات..
قال المؤلف الرئيسي دومينيك بيتش: "لقد أعدنا الهيكلة بالكامل"."نظهر أنه يمكننا زيادة حجم الحبوب بعدة أوامر من حيث الحجم لتشكيل عدد كبير من الحبوب العمودية ، والتي من المفترض أن تؤدي نظريًا إلى تحسن كبير في خصائص الزحف."
أظهر الفريق أيضًا أنه يمكنهم التحكم في معدل السحب ودرجة حرارة عينات القضيب لضبط الحبوب النامية للمادة ، وإنشاء مناطق ذات حجم واتجاه معين للحبوب.يقول كورديرو إن هذا المستوى من التحكم يمكن أن يسمح للمصنعين بطباعة شفرات التوربينات بهياكل دقيقة خاصة بالموقع والتي يمكن تخصيصها لظروف تشغيل محددة.
تخطط Cordero لاختبار المعالجة الحرارية للأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد بالقرب من شفرات التوربينات.يبحث الفريق أيضًا في طرق تسريع قوة الشد بالإضافة إلى اختبار مقاومة الزحف للهياكل المعالجة حرارياً.ثم توقعوا أن المعالجة الحرارية يمكن أن تتيح التطبيق العملي للطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج شفرات توربينات من الدرجة الصناعية بأشكال وأنماط أكثر تعقيدًا.
قال كورديرو: "إن هندسة الشفرات والشفرات الجديدة ستجعل توربينات الغاز الأرضية ، وفي النهاية ، محركات الطائرات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة"."من منظور خط الأساس ، يمكن أن يقلل ذلك من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من خلال تحسين كفاءة هذه الأجهزة."