Gaz türbini veya jet motoru kanatları, metallerin mikroskobik yapısını değiştiren enerji tasarruflu bir yöntem kullanılarak 3D olarak basılabilir.
MIT tarafından geliştirilen yeni bir ısıl işlem, 3D baskılı metallerin mikroskobik yapısını değiştirerek malzemeleri daha dayanıklı ve termal şoka karşı dirençli hale getiriyor. Jet motorları ve gaz türbinleri için yüksek performanslı kanatlar ve kanatlar bu teknik kullanılarak 3D olarak basılabilir, böylece yakıt tüketimini azaltan ve enerji verimliliğini artıran yeni tasarımlara kapı açılabilir.
Modern gaz türbini kanatları, erimiş metalin karmaşık kalıplara dökülmesini ve belirli bir yönde katılaşmasına izin verilmesini içeren geleneksel döküm teknikleri kullanılarak üretilir. Son derece sıcak gaz içinde yüksek hızlarda dönerek enerji santrallerinde elektrik üretmek ve jet motorlarında itme gücü sağlamak için iş çıkardıklarından, bu bileşenler dünyadaki en ısıya dayanıklı metal alaşımlarından bazılarından oluşur.
Finansal ve çevresel avantajlarının yanı sıra, üreticilerin daha karmaşık, enerji tasarruflu kanat şekillerini daha hızlı oluşturmasına olanak tanıyabilecek 3D baskı kullanarak türbin kanatları üretmeye yönelik artan bir ilgi var. Ancak sünme adı verilen önemli bir engel hala türbin kanatlarının 3D baskısının önünde duruyor.
Metalürjide “sünme” terimi, bir metalin yüksek sıcaklıklara ve sürekli mekanik strese maruz kaldığında geri dönüşü olmayan bir şekilde şekil değiştirme eğilimini tanımlar. Türbin kanatlarının baskısını incelerken araştırmacılar, baskı yönteminin boyutları onlarca ila yüzlerce mikron arasında değişen ince taneciklerle sonuçlandığını ve bunun özellikle sürünmeye eğilimli bir mikro yapı olduğunu keşfettiler.
MIT’de Havacılık ve Uzay Bilimleri alanında Boeing Kariyer Geliştirme Profesörü olan Zachary Cordero’ya göre, “pratikte bu, bir gaz türbininin daha kısa ömürlü veya daha az yakıt verimliliğine sahip olacağı anlamına gelir.” Bunlar pahalı ve istenmeyen sonuçlardır.
Basılmış malzemenin ince taneleri çok daha büyük “sütunlu” tanelere dönüşerek daha dayanıklı bir mikro yapı oluşturuyor ve “sütunlar” en büyük stres ekseniyle hizalandığı için malzemenin sürünme potansiyelini azaltıyor. Cordero ve meslektaşları, ek bir ısıl işlem adımı ekleyerek 3D baskılı alaşımların yapısını iyileştirmenin bir yolunu keşfetti. Araştırmacıların Additive Manufacturing’in bugünkü sayısında açıkladıkları yaklaşım, gaz türbini kanatlarının ticari 3D baskısının yolunu açtığını iddia ediyorlar.
Cordero, gaz türbini üreticilerinin yakın gelecekte kanatlarını ve kanatçıklarını oldukça büyük katmanlı üretim tesislerinde basacaklarını ve daha sonra bunları bizim ısıl işlemimizi kullanarak işlemden geçireceklerini tahmin ediyoruz, diyor.
3D baskının mümkün kıldığı yeni soğutma mimarilerinin geliştirilmesi, türbinlerin aynı miktarda güç üretirken daha az yakıt kullanmasına ve nihayetinde daha az karbondioksit salmasına olanak tanıyacak.
Baş yazar Dominic Peachey, MIT’den ortak yazarlar Christopher Carter ve Andres Garcia-Jimenez, Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’nden Anugrahaprada Mukundan ve Marie-Agathe Charpagne ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan Donovan Leonard, Cordero ile birlikte çalışmanın diğer yazarlarıdır.
Araştırmacılar tarafından geliştirilen yeni teknik, maddenin çok sayıda küçük tanesini daha büyük, daha kararlı kristaller halinde birleştirmek için bir maddeyi ısıtılmış bir bölge boyunca hassas bir şekilde düzenlenmiş bir hızda hareket ettiren bir ısıl işlem olan yönlendirilmiş bir yeniden kristalleştirme türüdür.
Yönlü yeniden kristalleştirme 80 yıldan daha uzun bir süre önce geliştirildi ve o zamandan beri işlenmiş malzemeler üzerinde kullanılıyor. MIT ekibi, son çalışmalarında 3D baskılı süper alaşımlar için yönlü yeniden kristalleştirmeyi değiştirdi.
Teknoloji, genellikle dökülen ve gaz türbinlerinde kullanılan metaller üzerinde test edildi – 3D baskılı nikel bazlı süper alaşımlar. Bir dizi testte bilim insanları, çubuk şeklindeki süper alaşımların 3D baskılı örneklerini oda sıcaklığında bir su banyosunda bir indüksiyon bobininin altına yerleştirdiler. Her bir çubuğu sudan ve bobinden çeşitli hızlarda yavaşça çekerek çubukları 1.200 ila 1.245 santigrat derece arasında değişen sıcaklıklara kadar önemli ölçüde ısıttılar.
Çubukları 1.235 santigrat derecelik bir sıcaklık aralığında saatte 2,5 milimetrelik hassas bir hızla hareket ettirmenin, malzemenin basılı, ince taneli mikro yapısını değiştiren keskin bir termal gradyana neden olduğunu keşfettiler.
Cordero’ya göre, malzeme başlangıçta parçalanmış spagettiyi andıran dislokasyonlara sahip mikroskobik tanelerden oluşuyor. “Bu malzeme ısıtıldığında bu kusurlar ortadan kalkabilir ve yeniden düzenlenerek tanelerin genişlemesine izin verebilir. Yeniden kristalleşme, hatalı malzemeyi ve daha küçük taneleri yutarak taneleri sürekli olarak uzattığımız süreçtir.
Araştırmacılar, ısıl işlem görmüş çubukları soğuttuktan sonra, malzemenin basılı mikroskobik tanelerinin, orijinal tanelerden önemli ölçüde daha büyük olan “sütunlu” tanelerle veya uzun kristal benzeri bölgelerle değiştirildiğini keşfetti.
Ana yazar Dominic Peachey’e göre yapı tam bir dönüşüm geçirdi. Teorik olarak, sürünme niteliklerinde önemli bir iyileşme ile sonuçlanması gereken sütunlu taneler oluşturmak için tane boyutunu büyük ölçüde artırmanın mümkün olduğunu gösterdik.
Bilim insanları ayrıca, malzemenin büyüyen tanelerini ayarlamak ve belirli tane boyutu ve yönelimine sahip bölümler üretmek için çubuk örneklerinin sıcaklığını ve çekme hızını nasıl kontrol edebileceklerini gösterdiler. Cordero’ya göre, belirli çalışma koşullarına dayanıklı, bölgeye özgü mikro yapılara sahip türbin kanatlarının basılabilmesi, bu kontrol seviyesi sayesinde mümkün olmaktadır.
Cordero, türbin kanatlarını daha yakından taklit eden 3D baskılı şekiller kullanarak ısıl işlemi test etmeyi amaçlıyor. Ekip ayrıca ısıl işlem görmüş yapıların sürünme direncini test ediyor ve çekme oranını hızlandırmanın yollarını arıyor. Ardından, ısıl işlemin, daha karmaşık şekil ve desenlere sahip endüstriyel sınıf türbin kanatları oluşturmak için 3D baskıyı pratik bir şekilde kullanmayı mümkün kılacağını düşünüyorlar.
Yeni kanat ve kanatçık şekilleri, kara tabanlı gaz türbinlerinin ve nihayetinde daha enerji verimli uçak motorlarının geliştirilmesini mümkün kılacaktır. “Sadece bu cihazların verimliliğinin artırılmasıyla bile,” diye yazıyor yazar, “bu, temel bir bakış açısıyla, karbondioksit emisyonlarının azalmasına yol açabilir.”
Kaynak: news.mit.edu – Jennifer Chu | MIT News Office
