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Un nouveau traitement thermique développé au MIT modifie la microstructure des métaux imprimés en 3D, rendant le matériau plus solide et plus résistant aux conditions thermiques extrêmes.Cette technologie pourrait permettre l'impression 3D d'aubes et d'aubes hautes performances pour les turbines à gaz et les moteurs à réaction qui génèrent de l'électricité, permettant de nouvelles conceptions pour réduire la consommation de carburant et l'efficacité énergétique.
Les aubes de turbine à gaz d'aujourd'hui sont fabriquées à l'aide d'un processus de coulée traditionnel dans lequel le métal en fusion est coulé dans des formes complexes et solidifié de manière directionnelle.Ces composants sont fabriqués à partir de certains des alliages métalliques les plus résistants à la chaleur de la planète, car ils sont conçus pour tourner à grande vitesse dans des gaz extrêmement chauds, en extrayant du travail pour générer de l'électricité dans les centrales électriques et fournir une poussée aux moteurs à réaction.
Il existe un intérêt croissant pour la production d'aubes de turbine par impression 3D, qui, en plus des avantages environnementaux et économiques, permet aux fabricants de produire rapidement des aubes aux géométries plus complexes et économes en énergie.Mais les efforts pour imprimer en 3D des aubes de turbine doivent encore surmonter un gros obstacle : le fluage.
En métallurgie, le fluage est compris comme la tendance d'un métal à se déformer de manière irréversible sous une contrainte mécanique constante et à haute température.Alors que les chercheurs exploraient la possibilité d'imprimer des aubes de turbine, ils ont découvert que le processus d'impression produisait des grains fins allant de dizaines à des centaines de micromètres, une microstructure particulièrement sujette au fluage.
"En pratique, cela signifie que la turbine à gaz aura une durée de vie plus courte ou sera moins économique", a déclaré Zachary Cordero, professeur Boeing d'aérospatiale au MIT."Ce sont de mauvais résultats coûteux."
Cordero et ses collègues ont trouvé un moyen d'améliorer la structure des alliages imprimés en 3D en ajoutant une étape de traitement thermique supplémentaire qui transforme les grains fins du matériau imprimé en grains "colonnaires" plus gros - une microstructure plus solide qui minimise le potentiel de fluage du matériau.matériau car les "piliers" sont alignés avec l'axe de la contrainte maximale.Selon les chercheurs, l'approche décrite aujourd'hui dans Additive Manufacturing ouvre la voie à l'impression 3D industrielle d'aubes de turbines à gaz.
"Dans un avenir proche, nous nous attendons à ce que les fabricants de turbines à gaz impriment leurs aubes dans des usines de fabrication additive à grande échelle, puis les post-traitent à l'aide de notre traitement thermique", a déclaré Cordero."L'impression 3D permettra de nouvelles architectures de refroidissement qui peuvent augmenter l'efficacité thermique des turbines, leur permettant de produire la même quantité d'énergie tout en consommant moins de carburant et en émettant finalement moins de dioxyde de carbone."
L'étude de Cordero a été co-écrite par les auteurs principaux Dominic Pichi, Christopher Carter et Andres Garcia-Jiménez du Massachusetts Institute of Technology, Anugrahapradha Mukundan et Marie-Agatha Sharpan de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et Donovan Leonard of the Oak Laboratoire national Ridge.
La nouvelle méthode de l'équipe est une forme de recristallisation directionnelle, un traitement thermique qui déplace le matériau à travers une zone chaude à une vitesse contrôlée avec précision, fusionnant de nombreux grains microscopiques du matériau en cristaux plus gros, plus solides et plus uniformes.
La recristallisation directionnelle a été inventée il y a plus de 80 ans et appliquée aux matériaux déformables.Dans leur nouvelle étude, une équipe du MIT a appliqué la recristallisation dirigée aux superalliages imprimés en 3D.
L'équipe a testé cette méthode sur des superalliages à base de nickel imprimés en 3D, des métaux couramment coulés et utilisés dans les turbines à gaz.Dans une série d'expériences, les chercheurs ont placé des échantillons imprimés en 3D de superalliages en forme de tige dans un bain d'eau à température ambiante directement sous une bobine d'induction.Ils ont lentement sorti chaque tige de l'eau et l'ont fait passer à travers une bobine à différentes vitesses, chauffant considérablement les tiges à des températures allant de 1200 à 1245 degrés Celsius.
Ils ont découvert que tirer la tige à une certaine vitesse (2,5 millimètres par heure) et à une certaine température (1235 degrés Celsius) crée un gradient de température abrupt qui déclenche une transition dans la microstructure à grain fin du support d'impression.
"Le matériau commence par de petites particules avec des défauts appelés dislocations, comme des spaghettis cassés", a expliqué Cordero.« Lorsque vous chauffez le matériau, ces défauts disparaissent et se reconstruisent, et les grains peuvent grossir.grains en absorbant les matériaux défectueux et les grains plus petits – un processus appelé recristallisation.
Après avoir refroidi les tiges traitées thermiquement, les chercheurs ont examiné leur microstructure à l'aide de microscopes optiques et électroniques et ont découvert que les grains microscopiques imprimés du matériau étaient remplacés par des grains "colonnaires", ou de longues régions cristallines beaucoup plus grandes que l'original. céréales..
"Nous avons complètement restructuré", a déclaré l'auteur principal Dominic Peach."Nous montrons que nous pouvons augmenter la taille des grains de plusieurs ordres de grandeur pour former un grand nombre de grains colonnaires, ce qui devrait théoriquement conduire à une amélioration significative des propriétés de fluage."
L'équipe a également montré qu'elle pouvait contrôler le taux de traction et la température des échantillons de tiges pour affiner les grains de croissance du matériau, créant des régions de taille et d'orientation de grain spécifiques.Ce niveau de contrôle pourrait permettre aux fabricants d'imprimer des aubes de turbine avec des microstructures spécifiques au site qui peuvent être adaptées à des conditions de fonctionnement spécifiques, explique Cordero.
Cordero prévoit de tester le traitement thermique des pièces imprimées en 3D plus près des aubes de turbine.L'équipe étudie également des moyens d'accélérer la résistance à la traction et teste la résistance au fluage des structures traitées thermiquement.Ils spéculent ensuite que le traitement thermique pourrait permettre l'application pratique de l'impression 3D pour produire des aubes de turbine de qualité industrielle avec des formes et des motifs plus complexes.
"Les nouvelles pales et la nouvelle géométrie des pales rendront les turbines à gaz terrestres et, en fin de compte, les moteurs d'avions plus économes en énergie", a déclaré Cordero."D'un point de vue de base, cela pourrait réduire les émissions de CO2 en améliorant l'efficacité de ces appareils."
Heure de publication : 15 novembre 2022
