Naukowcy opracowali nowy sposób wytwarzania mocniejszych metali do stosowania w ekstremalnych środowiskach, takich jak turbiny wytwarzające energię.
Korzystając z druku 3D i analizując metale za pomocą technologii neutronowej, odkryli, że obróbka cieplna może obniżyć naprężenia w metalach, zwiększając ich trwałość.
Zaawansowane superstopy
Ekstremalne zastosowania, takie jak zaawansowane turbiny gazowe do wytwarzania energii elektrycznej, wymagają równie wyrafinowanych materiałów. W ramach tych badań naukowcy zbadali wpływ naprężeń w innowacyjnych „nadstopach” składających się z dwóch metali o wysokiej wytrzymałości i odporności na wysoką temperaturę. Zespół stworzył te stopy za pomocą druku 3D – techniki wykorzystującej lasery do formowania proszku metalicznego w określone kształty. Następnie wykorzystali neutrony do analizy wewnętrznej struktury drukowanych metali.
Badanie wykazało, że obróbka cieplna skutecznie łagodzi stres powstający podczas produkcji. Ponadto stwierdzono, że na naprężenia te w większym stopniu wpływają określone parametry produkcyjne niż skład chemiczny metalu.
Postęp w stopach metali drukowanych w 3D
Zespół umiejętnie zastosował laserowy druk 3D do wytworzenia stopów z dwóch różnych metali, Inconel 718 i René 41, bez żadnych pęknięć. Eksperymenty neutronowe ułatwiły opracowanie udoskonalonej metody dokładnej i skutecznej oceny poziomów naprężeń indukowanych w metalach w trakcie procesu produkcyjnego. Odkrycia przyczynią się do produkcji mocniejszych, bardziej zaawansowanych stopów przy niższych kosztach produkcji. Stopy te mają kluczowe znaczenie w zastosowaniach w ekstremalnych środowiskach.
Współpraca w zakresie wytwarzania przyrostowego
Produkcja przyrostowa, czyli druk 3D, to nowy sposób wytwarzania części metalowych i innych rodzajów materiałów poprzez budowanie ich warstwa po warstwie. W ramach tego projektu badawczego, prowadzonego przez naukowców z General Electric, Edison Welding Institute i Oak Ridge National Laboratory (ORNL), wydrukowano stop składa się z Inconelu 718 i René 41 na dwóch końcach z obszarem o stopniowanym składzie pośrodku. W badaniu oceniono naprężenia i zmienność składu stopu. W tym celu naukowcy przeprowadzili eksperymenty z neutronami w Źródło neutronów spalacyjnych (SNS) i Reaktor izotopowy o wysokim strumieniu (HFIR) w ORNL, oba obiekty użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii. Neutrony idealnie nadają się do badania naprężeń wewnętrznych w materiałach, ponieważ mogą przenikać przez gęste metale.
Analiza neutronowa naprężeń produkcyjnych
Korzystając z dyfraktometru VULCAN w SNS i instrumentu do obrazowania MARS w HFIR, naukowcy zmierzyli rozkład szczątkowych odkształceń sieci, aby zobaczyć, jak naprężenia szczątkowe i skład materiałów zmieniły się na różnych etapach przetwarzania. Badania neutronowe wykazały, że naprężenia szczątkowe powstają głównie w wyniku procesu produkcyjnego i można je złagodzić poprzez obróbkę cieplną. Stwierdzono, że naprężenia są większe w przypadku dłuższego czasu przebywania lasera lub wyższych poziomów energii. Badania neutronów pomogły także firmom w opracowaniu skuteczniejszej metody analizy metali i poprawienia ich przydatności do wytwarzania lepszych części po niższych kosztach przy użyciu wytwarzania przyrostowego.
Odniesienie: „Naprężenia szczątkowe i mikrostruktura w nadstopie sortowanym IN718-René41, wytwarzanym metodą ukierunkowanego osadzania energii przez rozdmuchiwanie laserowe”, autorzy: Shenyan Huang, Chen Shen, Ke An, Yuxuan Zhang, Ian Spinelli, Marissa Brennan i Dunji Yu, 1 grudnia 2022 r., Granice w metalach i stopach.
DOI: 10.3389/ftmal.2022.1070562
Prace te były wspierane przez Biuro ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej Departamentu Energii (DOE), Biuro Zaawansowanej Produkcji. W części badań wykorzystano zasoby źródła neutronów spallacyjnych i reaktora izotopowego o wysokim strumieniu, oba obiekty użytkownika Biura Nauki DOE obsługiwane przez Laboratorium Narodowe w Oak Ridge.
