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MIT에서 개발된 새로운 열처리는 3D 인쇄 금속의 미세 구조를 변경하여 재료를 더 강하고 극한의 열 조건에 더 잘 견디도록 합니다.이 기술은 전기를 생산하는 가스 터빈과 제트 엔진용 고성능 블레이드와 베인의 3D 프린팅을 가능하게 하여 연료 소비와 에너지 효율성을 줄이기 위한 새로운 설계를 가능하게 합니다.
오늘날의 가스 터빈 블레이드는 용융 금속을 복잡한 모양으로 붓고 방향성 응고시키는 전통적인 주조 공정을 사용하여 만들어집니다.이 구성 요소는 지구상에서 가장 내열성이 뛰어난 금속 합금으로 만들어지며, 매우 뜨거운 가스에서 고속으로 회전하도록 설계되어 발전소에서 전기를 생성하고 제트 엔진에 추진력을 제공하는 작업을 추출합니다.
3D 프린팅을 사용한 터빈 블레이드 생산에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이는 환경 및 경제적 이점 외에도 제조업체가 보다 복잡하고 에너지 효율적인 형상으로 블레이드를 신속하게 생산할 수 있도록 합니다.그러나 3D 프린팅 터빈 블레이드에 대한 노력은 아직 한 가지 큰 장애물인 크리프를 극복하지 못했습니다.
야금학에서 크리프는 일정한 기계적 응력과 고온에서 비가역적으로 변형되는 금속의 경향으로 이해됩니다.연구원들이 터빈 블레이드 인쇄 가능성을 탐색하는 동안 인쇄 공정에서 수십에서 수백 마이크로미터 크기의 미세 입자(특히 크리프가 발생하기 쉬운 미세 구조)가 생성된다는 사실을 발견했습니다.
MIT 항공우주학과 재커리 코데로(Zachary Cordero) 교수는 "실제로 이것은 가스 터빈의 수명이 더 짧거나 경제적이지 않다는 것을 의미한다"고 말했다."이것은 비용이 많이 드는 나쁜 결과입니다."
Cordero와 동료들은 인쇄된 재료의 미세 입자를 더 큰 "기둥형" 입자로 바꾸는 추가 열처리 단계를 추가하여 3D 인쇄 합금의 구조를 개선하는 방법을 찾았습니다."기둥"이 최대 응력 축과 정렬되기 때문입니다.오늘 Additive Manufacturing에서 설명된 접근 방식은 가스 터빈 블레이드의 산업용 3D 프린팅을 위한 길을 열어준다고 연구원들은 말합니다.
Cordero는 "가까운 미래에 가스 터빈 제조업체가 대규모 적층 가공 공장에서 블레이드를 인쇄한 다음 열처리를 사용하여 후처리할 것으로 기대합니다."라고 말했습니다."3D 프린팅은 터빈의 열 효율을 높일 수 있는 새로운 냉각 아키텍처를 가능하게 하여 연료를 덜 태우고 궁극적으로 이산화탄소 배출량을 줄이면서 동일한 양의 전력을 생산할 수 있게 합니다."
Cordero의 연구는 Massachusetts Institute of Technology의 Dominic Pichi, Christopher Carter, Andres Garcia-Jiménez, Urbana-Champaign에 있는 Illinois 대학의 Anugrahapradha Mukundan 및 Marie-Agatha Sharpan, Oak의 Donovan Leonard가 공동 저술했습니다. 리지 국립 연구소.
이 팀의 새로운 방법은 정밀하게 제어된 속도로 뜨거운 영역을 통해 재료를 이동시키는 열처리인 방향성 재결정화의 한 형태로, 재료의 많은 미세한 입자를 더 크고 강하고 균일한 결정으로 융합합니다.
방향성 재결정화는 80년 전에 발명되었으며 변형 가능한 재료에 적용되었습니다.새로운 연구에서 MIT 팀은 3D 인쇄된 초합금에 직접 재결정화를 적용했습니다.
팀은 가스 터빈에서 일반적으로 주조되고 사용되는 금속인 3D 인쇄된 니켈 기반 초합금에 대해 이 방법을 테스트했습니다.일련의 실험에서 연구원들은 막대형 초합금의 3D 프린팅 샘플을 유도 코일 바로 아래의 실온 수조에 넣었습니다.그들은 각 막대를 물에서 천천히 끌어내어 서로 다른 속도로 코일에 통과시켜 막대를 섭씨 1200도에서 1245도 범위의 온도로 상당히 가열했습니다.
그들은 특정 속도(시간당 2.5밀리미터)와 특정 온도(섭씨 1235도)에서 로드를 당기면 인쇄 매체의 미세한 미세 구조에서 전환을 유발하는 가파른 온도 구배를 생성한다는 것을 발견했습니다.
"재료는 깨진 스파게티와 같은 전위라는 결함이 있는 작은 입자로 시작합니다."라고 Cordero는 설명했습니다.“재료를 가열하면 이러한 결함이 사라지고 재건되며 입자가 자랄 수 있습니다.결함이 있는 재료와 더 작은 입자를 흡수하여 입자를 재결정화하는 과정입니다.”
열처리된 막대를 냉각시킨 후, 연구원들은 광학 및 전자 현미경을 사용하여 미세 구조를 조사한 결과 재료의 각인된 미세한 입자가 "기둥형" 입자 또는 원래보다 훨씬 더 큰 긴 결정과 같은 영역으로 대체되었음을 발견했습니다. 작살..
"우리는 완전히 재구성했습니다." 수석 저자인 Dominic Peach가 말했습니다."우리는 이론적으로 크리프 특성의 상당한 개선으로 이어질 많은 수의 주상 결정립을 형성하기 위해 결정립 크기를 몇 배로 증가시킬 수 있음을 보여줍니다."
팀은 또한 특정 입자 크기와 방향의 영역을 생성하여 재료의 성장하는 입자를 미세 조정하기 위해 로드 샘플의 인장 속도와 온도를 제어할 수 있음을 보여주었습니다.이러한 수준의 제어를 통해 제조업체는 특정 작동 조건에 맞출 수 있는 현장별 미세 구조로 터빈 블레이드를 인쇄할 수 있다고 Cordero는 말합니다.
Cordero는 터빈 블레이드에 더 가까운 3D 프린팅 부품의 열처리를 테스트할 계획입니다.팀은 또한 인장 강도를 가속화하고 열처리된 구조물의 크리프 저항성을 테스트하는 방법을 찾고 있습니다.그런 다음 열처리를 통해 3D 프린팅을 실용적으로 적용하여 보다 복잡한 모양과 패턴을 가진 산업용 터빈 블레이드를 생산할 수 있을 것으로 추측합니다.
"새로운 블레이드와 블레이드 형상은 지상 기반 가스 터빈과 궁극적으로 항공기 엔진의 에너지 효율을 높일 것입니다."라고 Cordero는 말했습니다."기본적인 관점에서 이것은 이러한 장치의 효율성을 개선하여 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다."
게시 시간: 2022년 11월 15일
