Un nuovo trattamento termico sviluppato dal MIT trasforma la struttura microscopica dei metalli stampati in 3D

Ricristallizzazione direzionale di una superlega a base di Ni prodotta in modo additivo

Con il nuovo trattamento termico, i metalli stampati in 3D possono resistere a condizioni estreme
Una tecnica che trasforma la struttura microscopica dei metalli può consentire la stampa 3D ad alta efficienza energetica di pale per turbine a gas o motori a reazione.

Un nuovo trattamento termico sviluppato dal MIT trasforma la struttura microscopica dei metalli stampati in 3D, rendendo i materiali più resistenti e resistenti in ambienti termici estremi. La tecnica potrebbe rendere possibile la stampa 3D di pale e palette ad alte prestazioni per turbine a gas e motori a reazione che generano energia, il che consentirebbe nuovi progetti con un migliore consumo di carburante ed efficienza energetica.

Le odierne pale delle turbine a gas sono prodotte attraverso processi di fusione convenzionali in cui il metallo fuso viene versato in stampi complessi e solidificato in modo direzionale. Questi componenti sono realizzati con alcune delle leghe metalliche più resistenti al calore sulla Terra, poiché sono progettati per ruotare ad alta velocità in gas estremamente caldi, estraendo lavoro per generare elettricità nelle centrali elettriche e spingendo i motori a reazione.

C’è un crescente interesse per la produzione di pale di turbine attraverso la stampa 3D, che, oltre ai vantaggi ambientali e di costo, potrebbe consentire ai produttori di produrre rapidamente geometrie delle pale più complesse ed efficienti dal punto di vista energetico. Ma gli sforzi per stampare le pale delle turbine in 3D devono ancora superare un grosso ostacolo: lo scorrimento.

Nella metallurgia, lo scorrimento si riferisce alla tendenza di un metallo a deformarsi permanentemente a fronte di sollecitazioni meccaniche persistenti e alte temperature. Mentre i ricercatori hanno esplorato la stampa delle pale delle turbine, hanno scoperto che il processo di stampa produce grani fini di dimensioni dell’ordine da decine a centinaia di micron, una microstruttura particolarmente vulnerabile allo scorrimento.

“In pratica, ciò significherebbe che una turbina a gas avrebbe una vita più breve o una minore efficienza del carburante”, afferma Zachary Cordero, Boeing Career Development Professor in Aeronautics and Astronautics al MIT. “Questi sono risultati costosi e indesiderabili”.

Cordero e i suoi colleghi hanno trovato un modo per migliorare la struttura delle leghe stampate in 3D aggiungendo un’ulteriore fase di trattamento termico, che trasforma i grani fini del materiale come stampato in grani “colonnari” molto più grandi – una microstruttura più robusta che dovrebbe ridurre al minimo la resistenza del materiale potenziale di scorrimento, in quanto le “colonne” sono allineate con l’asse di maggiore sollecitazione. I ricercatori affermano che il metodo, delineato in Additive Manufacturing , apre la strada alla stampa 3D industriale delle pale delle turbine a gas.

“Nel prossimo futuro, prevediamo che i produttori di turbine a gas stamperanno le loro pale e palette in impianti di produzione additiva su larga scala, quindi le post-elaborano utilizzando il nostro trattamento termico”, afferma Cordero. “La stampa 3D consentirà nuove architetture di raffreddamento in grado di migliorare l’efficienza termica di una turbina, in modo che produca la stessa quantità di energia bruciando meno carburante e alla fine emetta meno anidride carbonica”.

I coautori di Cordero nello studio sono l’autore principale Dominic Peachey, Christopher Carter e Andres Garcia-Jimenez del MIT, Anugrahaprada Mukundan e Marie-Agathe Charpagne dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign e Donovan Leonard dell’Oak Ridge National Laboratory.

Innescare una trasformazione

Il nuovo metodo del team è una forma di ricristallizzazione direzionale, un trattamento termico che fa passare un materiale attraverso una zona calda a una velocità controllata con precisione per fondere i numerosi grani microscopici di un materiale in cristalli più grandi, più robusti e più uniformi.

La ricristallizzazione direzionale è stata inventata più di 80 anni fa ed è stata applicata ai materiali lavorati. Nel loro nuovo studio, il team del MIT ha adattato la ricristallizzazione direzionale per le superleghe stampate in 3D.

Il team ha testato il metodo su superleghe a base di nichel stampate in 3D, metalli che vengono tipicamente fusi e utilizzati nelle turbine a gas. In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno posizionato campioni stampati in 3D di superleghe a forma di bastoncino in un bagno d’acqua a temperatura ambiente posto appena sotto una bobina di induzione. Hanno tirato lentamente ciascuna canna fuori dall’acqua e attraverso la bobina a varie velocità, riscaldando drasticamente le canne a temperature che variano tra 1.200 e 1.245 gradi Celsius.

Hanno scoperto che disegnare le aste a una velocità particolare (2,5 millimetri all’ora) e attraverso una temperatura specifica (1.235 gradi Celsius) ha creato un forte gradiente termico che ha innescato una trasformazione nella microstruttura a grana fine stampata del materiale.

“Il materiale inizia come piccoli grani con difetti chiamati dislocazioni, che sono come uno spaghetto maciullato”, spiega Cordero. “Quando riscaldi questo materiale, quei difetti possono annichilirsi e riconfigurarsi, e i grani sono in grado di crescere. Allunghiamo continuamente i grani consumando il materiale difettoso e i grani più piccoli, un processo chiamato ricristallizzazione».

Scivola via

Dopo aver raffreddato le aste trattate termicamente, i ricercatori hanno esaminato la loro microstruttura utilizzando la microscopia ottica ed elettronica e hanno scoperto che i grani microscopici stampati del materiale erano stati sostituiti con grani “colonnari”, o lunghe regioni simili a cristalli che erano significativamente più grandi dei grani originali.

“Abbiamo completamente trasformato la struttura”, afferma l’autore principale Dominic Peachey. “Mostriamo che possiamo aumentare la dimensione del grano di ordini di grandezza, fino a massicci grani colonnari, che teoricamente dovrebbero portare a notevoli miglioramenti nelle proprietà di scorrimento”.

Il team ha anche dimostrato di poter manipolare la velocità di estrazione e la temperatura dei campioni di aste per adattare i grani in crescita del materiale, creando regioni con dimensioni e orientamento dei grani specifici. Questo livello di controllo, afferma Cordero, può consentire ai produttori di stampare pale di turbine con microstrutture specifiche del sito che sono resistenti a condizioni operative specifiche.

Cordero prevede di testare il trattamento termico su geometrie stampate in 3D che assomigliano più da vicino alle pale delle turbine. Il team sta anche esplorando modi per accelerare il tasso di trazione, oltre a testare la resistenza allo scorrimento di una struttura trattata termicamente. Quindi, immaginano che il trattamento termico potrebbe consentire l’applicazione pratica della stampa 3D per produrre pale di turbina di livello industriale, con forme e modelli più complessi.

“Le nuove geometrie di pale e palette consentiranno turbine a gas terrestri più efficienti dal punto di vista energetico, nonché, eventualmente, motori aeronautici”, osserva Cordero. “Questo potrebbe da una prospettiva di base portare a minori emissioni di anidride carbonica, solo attraverso una migliore efficienza di questi dispositivi”.

Questa ricerca è stata sostenuta, in parte, dall’Office of Naval Research degli Stati Uniti.

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Scritto da Jennifer Chu, ufficio stampa del MIT

Sfondo aggiuntivo

Documento: “Ricristallizzazione direzionale di una superlega a base di Ni prodotta in modo additivo”