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Um novo tratamento térmico desenvolvido no MIT altera a microestrutura dos metais impressos em 3D, tornando o material mais forte e resistente a condições térmicas extremas.Essa tecnologia pode permitir a impressão 3D de pás e palhetas de alto desempenho para turbinas a gás e motores a jato que geram eletricidade, permitindo novos projetos para reduzir o consumo de combustível e a eficiência energética.
As pás das turbinas a gás de hoje são feitas usando um processo de fundição tradicional no qual o metal fundido é derramado em formas complexas e solidificado direcionalmente.Esses componentes são feitos de algumas das ligas metálicas mais resistentes ao calor do planeta, pois são projetados para girar em altas velocidades em gases extremamente quentes, extraindo trabalho para gerar eletricidade em usinas de energia e fornecer impulso para motores a jato.
Há um interesse crescente na produção de pás de turbina usando impressão 3D, que, além dos benefícios ambientais e econômicos, permite aos fabricantes produzir rapidamente pás com geometrias mais complexas e energeticamente eficientes.Mas os esforços para imprimir pás de turbina em 3D ainda precisam superar um grande obstáculo: o deslizamento.
Na metalurgia, a fluência é entendida como a tendência de um metal se deformar irreversivelmente sob constante tensão mecânica e alta temperatura.Enquanto os pesquisadores exploravam a possibilidade de imprimir pás de turbina, eles descobriram que o processo de impressão produz grãos finos que variam em tamanho de dezenas a centenas de micrômetros – uma microestrutura que é particularmente propensa a fluência.
“Na prática, isso significa que a turbina a gás terá uma vida útil mais curta ou será menos econômica”, disse Zachary Cordero, professor de aeroespacial da Boeing no MIT.“São resultados ruins que custam caro.”
Cordero e seus colegas encontraram uma maneira de melhorar a estrutura das ligas impressas em 3D adicionando uma etapa adicional de tratamento térmico que transforma os grãos finos do material impresso em grãos “colunares” maiores – uma microestrutura mais forte que minimiza o potencial de fluência do material.material porque os “pilares” estão alinhados com o eixo de tensão máxima.A abordagem descrita hoje na Manufatura Aditiva abre caminho para a impressão 3D industrial de pás de turbinas a gás, dizem os pesquisadores.
“Em um futuro próximo, esperamos que os fabricantes de turbinas a gás imprimam suas pás em fábricas de manufatura aditiva em grande escala e depois as processem usando nosso tratamento térmico”, disse Cordero.“A impressão 3D permitirá novas arquiteturas de resfriamento que podem aumentar a eficiência térmica das turbinas, permitindo que produzam a mesma quantidade de energia enquanto queimam menos combustível e, finalmente, emitindo menos dióxido de carbono”.
O estudo de Cordero foi co-autoria dos autores principais Dominic Pichi, Christopher Carter e Andres Garcia-Jiménez do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Anugrahapradha Mukundan e Marie-Agatha Sharpan da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e Donovan Leonard do Oak Laboratório Nacional de Ridge.
O novo método da equipe é uma forma de recristalização direcional, um tratamento térmico que move o material através de uma zona quente a uma taxa precisamente controlada, fundindo muitos grãos microscópicos do material em cristais maiores, mais fortes e mais uniformes.
A recristalização direcional foi inventada há mais de 80 anos e aplicada a materiais deformáveis.Em seu novo estudo, uma equipe do MIT aplicou recristalização direcionada a superligas impressas em 3D.
A equipe testou esse método em superligas à base de níquel impressas em 3D, metais comumente fundidos e usados em turbinas a gás.Em uma série de experimentos, os pesquisadores colocaram amostras impressas em 3D de superligas semelhantes a bastões em um banho de água à temperatura ambiente diretamente abaixo de uma bobina de indução.Eles puxaram lentamente cada bastão para fora da água e os passaram por uma bobina em diferentes velocidades, aquecendo significativamente os bastões a temperaturas variando de 1.200 a 1.245 graus Celsius.
Eles descobriram que puxar a haste a uma certa velocidade (2,5 milímetros por hora) e a uma certa temperatura (1235 graus Celsius) cria um gradiente de temperatura acentuado que desencadeia uma transição na microestrutura de granulação fina da mídia impressa.
“O material começa como pequenas partículas com defeitos chamados deslocamentos, como espaguete quebrado”, explicou Cordero.“Quando você aquece o material, esses defeitos desaparecem e se reconstituem, e os grãos podem crescer.grãos absorvendo material defeituoso e grãos menores – um processo chamado recristalização”.
Depois de resfriar as hastes tratadas termicamente, os pesquisadores examinaram sua microestrutura usando microscópios ópticos e eletrônicos e descobriram que os grãos microscópicos impressos do material foram substituídos por grãos “colunares”, ou regiões longas semelhantes a cristais que eram muito maiores que o original. grãos..
“Reestruturamos completamente”, disse o principal autor Dominic Peach.“Mostramos que podemos aumentar o tamanho do grão em várias ordens de grandeza para formar um grande número de grãos colunares, o que teoricamente deve levar a uma melhoria significativa nas propriedades de fluência.”
A equipe também mostrou que pode controlar a taxa de extração e a temperatura das amostras de haste para ajustar os grãos crescentes do material, criando regiões de tamanho e orientação de grão específicos.Esse nível de controle pode permitir que os fabricantes imprimam pás de turbina com microestruturas específicas do local que podem ser adaptadas a condições operacionais específicas, diz Cordero.
Cordero planeja testar o tratamento térmico de peças impressas em 3D mais perto das pás da turbina.A equipe também está procurando maneiras de acelerar a resistência à tração, bem como testar a resistência à fluência de estruturas tratadas termicamente.Eles então especulam que o tratamento térmico poderia permitir a aplicação prática da impressão 3D para produzir pás de turbina de nível industrial com formas e padrões mais complexos.
“As novas pás e a geometria das pás tornarão as turbinas a gás terrestres e, finalmente, os motores de aeronaves mais eficientes em termos energéticos”, disse Cordero.“Do ponto de vista básico, isso pode reduzir as emissões de CO2 ao melhorar a eficiência desses dispositivos.”
Horário da postagem: 15 de novembro de 2022
