Eine Technik, die die mikroskopische Struktur der Metalle verändert, könnte den energieeffizienten 3D-Druck von Schaufeln für Gasturbinen oder Düsentriebwerke ermöglichen.
Eine neue, am MIT entwickelte Wärmebehandlung verändert die mikroskopische Struktur von 3D-gedruckten Metallen und macht die Materialien stärker und widerstandsfähiger in extremen thermischen Umgebungen. Die Technik könnte es ermöglichen, Hochleistungsschaufeln und -leitbleche für stromerzeugende Gasturbinen und Düsentriebwerke in 3D zu drucken, was neue Konstruktionen mit verbessertem Kraftstoffverbrauch und höherer Energieeffizienz ermöglichen würde.
Heutige Gasturbinenschaufeln werden durch herkömmliche Gießverfahren hergestellt, bei denen geschmolzenes Metall in komplexe Formen gegossen und gerichtet wird. Diese Bauteile bestehen aus einigen der hitzebeständigsten Metalllegierungen der Welt, da sie dazu bestimmt sind, bei hohen Geschwindigkeiten in extrem heißem Gas zu rotieren und dabei Arbeit zu leisten, um in Kraftwerken Strom und in Düsentriebwerken Schub zu erzeugen.
Es besteht ein wachsendes Interesse an der Herstellung von Turbinenschaufeln im 3D-Druckverfahren, das nicht nur Umwelt- und Kostenvorteile bietet, sondern den Herstellern auch die schnelle Herstellung komplizierterer, energieeffizienter Schaufelgeometrien ermöglichen könnte. Die Bemühungen um den 3D-Druck von Turbinenschaufeln müssen jedoch noch eine große Hürde überwinden:
Die Kriechfähigkeit.
In der Metallurgie bezeichnet Kriechen die Tendenz eines Metalls, sich angesichts anhaltender mechanischer Belastung und hoher Temperaturen dauerhaft zu verformen. Die Forscher haben sich mit dem Drucken von Turbinenschaufeln befasst, dabei aber festgestellt, dass das Druckverfahren feine Körner in der Größenordnung von einigen zehn bis hundert Mikrometern erzeugt - eine Mikrostruktur, die besonders anfällig für Kriechvorgänge ist.
"In der Praxis würde dies bedeuten, dass eine Gasturbine eine kürzere Lebensdauer oder eine geringere Treibstoffeffizienz hätte", sagt Zachary Cordero, Boeing Career Development Professor in Aeronautics and Astronautics am MIT. "Das sind kostspielige, unerwünschte Ergebnisse".
Cordero und seine Kollegen haben einen Weg gefunden, die Struktur von 3D-gedruckten Legierungen zu verbessern, indem sie einen zusätzlichen Wärmebehandlungsschritt hinzufügen, der die feinen Körner des gedruckten Materials in viel größere "säulenförmige" Körner umwandelt - eine stabilere Mikrostruktur, die das Kriechpotenzial des Materials minimieren sollte, da die "Säulen" an der Achse der größten Spannung ausgerichtet sind. Laut den Forschern ebnet die vorgestellte Methode den Weg für den industriellen 3D-Druck von Gasturbinenschaufeln.
"Wir stellen uns vor, dass die Hersteller von Gasturbinen in naher Zukunft ihre Schaufeln in großen additiven Fertigungsanlagen drucken und anschließend mit unserer Wärmebehandlung nachbearbeiten werden", sagt Cordero. "Der 3D-Druck wird neue Kühlarchitekturen ermöglichen, die den thermischen Wirkungsgrad einer Turbine verbessern können, so dass sie bei gleicher Leistung weniger Kraftstoff verbraucht und letztlich weniger Kohlendioxid ausstößt.
Eine Umwandlung auslösen
Bei der neuen Methode des Teams handelt es sich um eine Form der gerichteten Rekristallisation - eine Wärmebehandlung, bei der ein Material mit genau kontrollierter Geschwindigkeit durch eine heiße Zone geleitet wird, um die vielen mikroskopisch kleinen Körner eines Materials zu größeren, festeren und gleichmäßigeren Kristallen zu verschmelzen.
Die gerichtete Rekristallisation wurde vor mehr als 80 Jahren erfunden und wird bei Knetwerkstoffen angewandt. In ihrer neuen Studie hat das MIT-Team die gerichtete Rekristallisation für 3D-gedruckte Superlegierungen angepasst.
Das Team testete die Methode an 3D-gedruckten Superlegierungen auf Nickelbasis - Metalle, die normalerweise gegossen und in Gasturbinen verwendet werden. In einer Reihe von Experimenten legten die Forscher 3D-gedruckte Proben stabförmiger Superlegierungen in ein Wasserbad bei Raumtemperatur, das direkt unter einer Induktionsspule platziert war. Sie zogen jeden Stab langsam aus dem Wasser und mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch die Spule, wobei sie die Stäbe auf Temperaturen zwischen 1.200 und 1.245 Grad Celsius erhitzten.
Sie fanden heraus, dass das Ziehen der Stäbe mit einer bestimmten Geschwindigkeit (2,5 Millimeter pro Stunde) und bei einer bestimmten Temperatur (1.235 Grad Celsius) einen steilen thermischen Gradienten erzeugt, der eine Veränderung der gedruckten, feinkörnigen Mikrostruktur des Materials auslöst.
"Das Material besteht zu Beginn aus kleinen Körnern mit Defekten, den so genannten Versetzungen, die wie zerquetschte Spaghetti aussehen", erklärt Cordero. "Wenn man das Material erhitzt, können sich diese Defekte auflösen und neu konfigurieren, die Körner können wachsen. Wir dehnen die Körner kontinuierlich aus, indem wir das defekte Material und kleinere Körner verbrauchen - ein Prozess, der als Rekristallisation bezeichnet wird."
Wegkriechen
Nach dem Abkühlen der wärmebehandelten Stäbe untersuchten die Forscher deren Mikrostruktur mit Hilfe der Licht- und Elektronenmikroskopie und stellten fest, dass die gedruckten mikroskopischen Körner des Materials durch "säulenförmige" Körner oder lange kristallähnliche Bereiche ersetzt wurden, die deutlich größer als die ursprünglichen Körner waren.
"Wir haben die Struktur komplett umgestaltet", sagt der Hauptautor Dominic Peachey. "Wir zeigen, dass wir die Korngröße um Größenordnungen erhöhen können, bis hin zu massiven säulenförmigen Körnern, was theoretisch zu dramatischen Verbesserungen der Kriecheigenschaften führen sollte."
Das Team zeigte auch, dass es die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur der Stabproben manipulieren kann, um die wachsenden Körner des Materials so anzupassen, dass Bereiche mit spezifischer Korngröße und Ausrichtung entstehen. Laut Cordero kann dieses Maß an Kontrolle die Hersteller in die Lage versetzen, Turbinenschaufeln mit standortspezifischen Mikrostrukturen zu drucken, die bestimmten Betriebsbedingungen standhalten.
Cordero plant, die Wärmebehandlung an 3D-gedruckten Geometrien zu testen, die den Turbinenschaufeln näher kommen. Das Team erforscht auch Möglichkeiten, die Ziehgeschwindigkeit zu erhöhen und die Kriechbeständigkeit einer wärmebehandelten Struktur zu testen. Die Wärmebehandlung könnte dann die praktische Anwendung des 3D-Drucks zur Herstellung von Turbinenschaufeln in Industriequalität mit komplexeren Formen und Mustern ermöglichen.
"Neue Schaufel- und Leitschaufelgeometrien werden energieeffizientere landgestützte Gasturbinen und schließlich auch Flugzeugtriebwerke ermöglichen", so Cordero. "Dies könnte allein durch die verbesserte Effizienz dieser Anlagen zu einer Senkung der Kohlendioxidemissionen führen."
Diese Forschung wurde zum Teil vom U.S. Office of Naval Research unterstützt.
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