Ar 20 Tachwedd, 2023, datblygodd ymchwilwyr yn MIT ddull trin gwres arloesol a all wella cryfder cynhyrchion metel printiedig 3D yn sylweddol, gan eu gwneud yn fwy ymwrthol i amgylcheddau tymheredd uchel eithafol. Mae'r datblygiad technolegol hwn yn agor posibiliadau newydd ar gyfer gweithgynhyrchu llafnau a asgelloedd perfformiad uchel i'w defnyddio mewn tyrbinau nwy cynhyrchu pŵer a hyd yn oed injans jet. Mae hwn yn ddatblygiad mawr i'r diwydiant cynhyrchion metel, gan ei bod bellach yn bosibl argraffu 3D gyda manwl gywirdeb syfrdanol heb aberthu ansawdd a dibynadwyedd rhannau metel.
Mae gwialen denau o superalloy printiedig 3D yn cael ei dynnu o faddon dŵr a'i basio trwy coil ymsefydlu, lle caiff ei gynhesu i dymheredd sy'n newid ei ficrostrwythur, gan wneud y deunydd yn fwy elastig.
Mae llafnau tyrbin nwy fel arfer yn cael eu cynhyrchu gan ddefnyddio prosesau castio traddodiadol. Mae gweithgynhyrchwyr yn arllwys metel tawdd i fowldiau cymhleth, gan ganiatáu iddo gadarnhau'n gyfeiriadol, yna defnyddio amrywiaeth o offer peiriannu i orffen y rhannau metel terfynol. Rhaid i'r llafnau allu troelli ar gyflymder uchel mewn nwyon hynod o boeth i gynhyrchu trydan mewn gweithfeydd pŵer a rhoi hwb i beiriannau jet.
Fodd bynnag, mae diddordeb cynyddol mewn gweithgynhyrchu llafnau tyrbinau trwy argraffu 3D, dull sy'n amgylcheddol ac yn gost-effeithiol ac sy'n caniatáu i weithgynhyrchwyr gynhyrchu geometregau llafnau mwy cymhleth ac ynni-effeithlon. Yn anffodus, mae rhwystr mawr i'w oresgyn: ymgripiad.
Creep yw tueddiad metelau i ddadffurfio'n barhaol o dan straen mecanyddol parhaus a thymheredd uchel. Mae ymchwil flaenorol wedi canfod bod y broses argraffu 3D yn cynhyrchu gronynnau mân yn amrywio o ddegau i gannoedd o ficronau o ran maint. Er mai prin y gellir ei weld i'r llygad noeth, mae'r microstrwythur hwn yn arbennig o agored i ymgripiad.
"Yn ymarferol, mae hyn yn golygu y bydd gan y tyrbinau nwy oes gwasanaeth byrrach neu'n llai effeithlon o ran tanwydd," eglura Zachary Cordero, Athro Datblygu Gyrfa Boeing mewn Awyrenneg a Astronauteg yn MIT.
I ddatrys y broblem hon, canfu Cordero a chydweithwyr ffordd o wella strwythur aloion printiedig 3D trwy ychwanegu cam triniaeth wres newydd. Mae'r dull hwn yn trawsnewid grawn mân y deunydd printiedig yn grawn "colofn" mwy, microstrwythur cryfach sy'n lleihau ymgripiad yn y deunydd. Mae'r "pileri" grawn wedi'u halinio ag echel y straen mwyaf posibl.
Mae awduron yr astudiaeth newydd yn honni y gallai dull trin gwres newydd chwyldroi argraffu 3D diwydiannol o lafnau tyrbin nwy.
Dywedodd Cordero: "Yn y dyfodol agos, rydym yn disgwyl i weithgynhyrchwyr tyrbinau nwy argraffu eu llafnau a'u llafnau mewn gweithfeydd gweithgynhyrchu ychwanegion mawr ac yna eu hôl-brosesu gan ddefnyddio ein triniaeth wres. Bydd argraffu 3D yn galluogi pensaernïaeth oeri newydd a fydd yn gwella effeithlonrwydd thermol y tyrbin, gan gynhyrchu'r un faint o drydan tra'n llosgi llai o danwydd ac yn y pen draw yn allyrru llai o garbon deuocsid."
Gosodiad ailgrisialu cyfeiriadol. Tynnwch y sampl o'r oerydd trwy'r parth poeth. Mae'r graddiant thermol serth o flaen y parth poeth yn cynnal dwysedd dadleoli uchel sy'n arwain at y blaen ailgrisialu.
Ailgrisialu cyfeiriadol aloion tymheredd uchel
Mae dull newydd tîm MIT yn fath o ailgrisialu cyfeiriadol, triniaeth wres sy'n symud deunydd trwy barth poeth ar gyflymder a reolir yn fanwl gywir, gan asio llawer o ronynnau microsgopig y deunydd yn grisialau Unffurf mwy, cryfach a mwy gwydn.
Defnyddiodd yr ymchwilwyr ailgrisialu cyfeiriadol o uwch-alloy printiedig 3D, sy'n cael ei gastio a'i ddefnyddio'n gyffredin mewn tyrbinau nwy. Fe wnaethant brofi'r dull ar uwch-aloiau nicel printiedig 3D siâp gwialen, a gafodd eu trochi mewn baddon dŵr tymheredd ystafell yn union o dan y coil sefydlu. Fe wnaethon nhw dynnu pob gwialen allan o'r dŵr yn araf a rheoli'r coiliau ar gyflymder gwahanol, gan gynhesu'r gwiail yn sydyn i dymheredd rhwng 1,200 a 1,245 gradd Celsius.
Canfuwyd bod tynnu'r wialen ar gyflymder penodol (2.5 mm/awr) a thymheredd penodol (1,235 gradd Celsius) yn creu graddiant thermol serth a ysgogodd drawsnewidiad ym microstrwythur mân y deunydd a argraffwyd.
“Mae'r deunydd yn dechrau fel gronynnau bach gyda diffygion o'r enw dadleoliadau, fel sbageti wedi torri,” eglura Cordero. "Pan fyddwch chi'n gwresogi'r deunydd, mae'r diffygion hyn yn diflannu ac yn ailgyflunio, ac mae'r grawn yn tyfu." Rydym yn parhau i ymestyn y grawn trwy ddefnyddio deunydd diffygiol a grawn llai, proses a elwir yn ailgrisialu.
Yn olaf, cadarnhaodd archwiliad o'r gwiail wedi'i drin â gwres gan ddefnyddio microsgopeg optegol ac electron fod grawn microsgopig ar wyneb y rhannau metel printiedig 3D yn cael eu gosod mewn grawn "colofn", gan arwain at well eiddo ymgripiad yn sylweddol. Trwy reoli cyflymder lluniadu a thymheredd y sampl gwialen, gall y gronynnau printiedig gyflawni meintiau a chyfeiriadedd penodol. Efallai y bydd cynhyrchwyr tyrbinau'n croesawu'r lefel hon o reolaeth. Mae'r datblygiad hwn nid yn unig yn garreg filltir bwysig mewn gwyddor deunyddiau ond hefyd yn agor llwybrau newydd ar gyfer arloesi ar draws diwydiannau.