Hittebehandeling maakt 3D-geprint metaal geschikt voor extreme temperaturen

Een nieuwe hittebehandeling maakt 3D-geprinte metaal geschikt voor gebruik in extreem warme omgevingen, zoals gasturbines en straalmotoren. De behandeling verandert de microscopische structuur van het materiaal.

De techniek is ontwikkeld door onderzoekers van MIT. Zij voorzien uiteenlopende toepassingen. Zo maakt de hittebehandeling 3D-geprint metaal geschikt voor onder meer componenten van gasturbines en straalmotoren. Dit maakt volgens de onderzoekers de weg vrij voor nieuwe ontwerpen die leiden tot een gunstiger brandstofverbruik en hogere energie-efficiëntie.

Hoge hittebestendigheid

Zowel gasturbines en straalmotoren zijn zeer veeleisende toepassingen. Zo draaien componenten op een zeer hoge snelheid rond in extreem heet gas. Bij de productie van hedendaagse schoepen van gasturbines gebruiken fabrikanten conventionele gietprocessen, waarbij zij gesmolten metalen in complexe mallen gieten. De bladen zijn vervaardigd uit metaallegeringen met een zeer hoge hittebestendigheid.

Al langer is er interesse in het 3D-printen van schoepen voor gasturbines. Een belangrijk obstakel hierbij is een fenomeen genaamd kruip. Bij metallurgie omschrijft de term kruip permanente vervormingen van het materiaal door langdurige mechanische belasting en hoge temperaturen. Kruip is bij 3D-geprint metaal een extra groot probleem doordat bij het printproces kleine korrels ontstaan van enkele tiende tot honderdste van een micron in omvang. Deze korrels zijn extra vatbaar voor kruip.

“In de praktijk zou dit betekenen dat een gasturbine een kortere levensduur of een lagere brandstofefficiëntie kent”, legt Zachary Cordero, Boeing Career Development Professor in Aeronautics and Astronautics verbonden aan MIT, uit. “Dit zijn kostbare, onwenselijke resultaten.”

Microstructuur transformeren

Cordero ontwikkelde samen met collega’s een hittebehandeling die uitkomst biedt. De behandeling transformeert de minuscule korrels in veel grotere ‘kolomvormige’ korrels. Deze microstructuur minimaliseert in theorie de vatbaarheid van het materiaal voor kruip, aangezien de ‘kolommen’ zijn uitgelijnd met de as die de grootste belasting kent.

De behandeling is een vorm van ‘directionele herkristallisatie’. Dit is een hittebehandeling waarbij een materiaal op een nauwkeurig gecontroleerde snelheid door een hete zone beweegt zodat de microscopische korrels transformeren in grotere, sterkere en meer uniforme kristallen. Deze techniek is meer dan tachtig jaar geleden ontwikkeld en toegepast voor het bewerken van diverse materialen.

1.235 graden Celsius

De methode is door het team getest op een 3D-geprint nikkel-gebaseerde superlegering. Dit materiaal is veelgebruikt in gasturbines. De onderzoekers pasten directionele herkristallisatie toe door 3D-geprinte ‘staven’ van de legering in een waterbad op kamertemperatuur te plaatsen. Vervolgens haalde zij de staven een voor een uit het water en op variërende snelheden door een inductiespoel. De staven zijn hierbij verwarmd tot een temperatuur van 1.200 tot 1.245 graden Celsius.

Uit deze proef bleek dat indien het materiaal met 2,5 millimeter per uur door de spoel wordt getrokken bij een temperatuur van 1.235 graden Celsius, de microstructuur van het materiaal transformeert. “Het materiaal start als kleine korrels met afwijkingen die dislocaties heten, en lijken op verweven spaghetti”, legt Cordero uit. “Indien je materiaal opwarmt kunnen deze afwijkingen verdwijnen en herconfigureren, en de korrels groeien. We vergroten de korrels continu door het consumeren van defectief materiaal en kleinere korrels – een proces genaamd herkristallisatie.”

Industrieel 3D-printen van schoepen

De onderzoekers verwachten dat hun ontwikkeling de weg vrij maakt voor het industrieel 3D-printen van schoepen voor gasturbines. “We voorzien dat fabrikanten van gasturbines in de nabije toekomst hun bladen en schoepen printen in grootschalige additieve productiefaciliteiten en ze vervolgens nabewerken met behulp van onze warmtebehandeling”, zegt Cordero.

“3D-printen maakt nieuwe koelarchitecturen mogelijk die de thermische efficiëntie van een turbine kunnen verbeteren, zodat deze dezelfde hoeveelheid stroom produceert terwijl hij minder brandstof verbruikt en uiteindelijk minder koolstofdioxide uitstoot.”

Meer informatie is hier beschikbaar.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: PublicDomainArchive