MITの方向性再結晶後処理技術は、航空用高温合金の3Dプリントに新たな可能性をもたらす

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-11-20 15:50 に最後に編集されました

2023年11月20日、Antarctic Bearは、MITの研究者が、3Dプリントされた金属製品の強度を大幅に向上させ、極度の高温環境に対する耐性を高める革新的な熱処理方法を開発したことを知りました。この技術革新により、発電用ガスタービンやジェットエンジンに使用される高性能ブレードやベーンの製造に新たな可能性が開かれます。これは金属部品の品質と信頼性を犠牲にすることなく、信じられないほどの精度で 3D プリントすることが可能になったため、金属加工業界にとって大きな進歩です。

3D プリントされた超合金の細い棒が水槽から引き出され、誘導コイルに通され、そこで微細構造が変化する温度まで加熱され、材料の弾力性が高まります。
肉眼では見えない粒子

ガスタービンブレードは通常、従来の鋳造プロセスを使用して製造されます。製造業者は、溶融金属を複雑な金型に注ぎ、方向性をもって凝固させ、その後、さまざまな加工ツールを使用して最終的な金属部品を仕上げます。これらのブレードは、発電所で電気を生成し、ジェットエンジンに推進力を提供するために、非常に高温のガスの中で高速で回転できなければなりません。

しかし、3D プリントによるタービンブレードの製造への関心が高まっています。このアプローチは環境面とコスト面で利点があり、メーカーはより複雑でエネルギー効率の高いブレード形状を製造できるようになります。残念ながら、克服すべき大きなハードルがあります。それは「クリープ」です。

クリープとは、持続的な機械的ストレスと高温下で金属が永久に変形する傾向のことです。これまでの研究では、3D 印刷プロセスによって数十から数百ミクロンの大きさの微粒子が生成されることが判明しています。肉眼ではほとんど見えませんが、この微細構造は特にクリープの影響を受けやすいです。

「実際には、これはガスタービンの耐用年数が短くなるか、燃料効率が低下することを意味します」と、MITの航空宇宙工学のボーイングキャリア開発教授であるザカリー・コルデロ氏は説明する。

新しい後処理ソリューションの開発

この問題に対処するため、コルデロ氏とその同僚は、新たな熱処理ステップを追加することで 3D プリントされた合金の構造を改善する方法を見つけました。この方法は、印刷された材料の細かい粒子を、材料のクリープを最小限に抑えるより強力な微細構造である、より大きな「柱状」粒子に変換することができます。粒子の「列」は最大応力の軸に沿って配置されます。

新しい研究の著者らは、新しい熱処理方法がガスタービンブレードの産業用3Dプリントに革命をもたらす可能性があると主張している。

「近い将来、ガスタービンメーカーは大規模な積層造形工場でブレードとベーンを印刷し、その後当社の熱処理プロセスを使用して後処理するようになるだろうと予測しています」とコルデロ氏は述べた。「3D 印刷により、タービンの熱効率を高める新しい冷却アーキテクチャが可能になり、同じ量の電力を生産しながら燃料の消費量を減らし、最終的には CO2 排出量を削減できます。」

△指向性再結晶設定。ホットゾーンを通して冷却剤からサンプルを取り除きます。高温域の前の急激な温度勾配により、高い転位密度が維持され、再結晶化前線につながる。
高温合金の方向性再結晶

MIT チームの新しいアプローチは方向性再結晶化の一種であり、材料を高温ゾーンに正確に制御された速度で通過させ、材料の多数の微細粒子を融合して、より大きく、より強く、より均一な結晶にする熱処理です。

研究者らは方向性再結晶を利用して、通常は鋳造されてガスタービンに使用される高温合金を 3D プリントしました。研究チームは、棒状の3Dプリントされたニッケルベースの超合金でこの方法をテストし、誘導コイルの真下にある室温の水槽に浸した。彼らはゆっくりと各ロッドを水から引き上げ、コイルをさまざまな速度で制御し、ロッドを摂氏1,200度から1,245度まで劇的に加熱しました。

△研究チームの研究成果は、「付加製造されたニッケル基超合金の方向性再結晶」というタイトルでAdditive Manufacturing誌に掲載された（ポータル）
研究者たちは、ロッドを特定の速度（2.5 mm/時）と特定の温度（1,235℃）で引っ張ると、急激な熱勾配が生じ、印刷された材料の微細な微細構造の変化が引き起こされることを発見しました。

「この材料は、折れたスパゲッティのように、転位と呼ばれる欠陥のある小さな粒子から始まります」とコルデロ氏は説明する。「材料を加熱すると、これらの欠陥は消散して再構成され、粒子は大きくなります。欠陥のある材料と小さな粒子を消費することで、粒子は長くなっていきます。このプロセスは再結晶化と呼ばれます。」

最後に、熱処理された棒を光学顕微鏡と電子顕微鏡で検査したところ、3D プリントされた金属部品の表面の微細粒子が「柱状」粒子に配置され、クリープ特性が大幅に改善されたことが確認されました。ロッドサンプルの描画速度と温度を制御することで、印刷された粒子は特定のサイズと方向を実現できます。このレベルの制御はタービン製造業者に歓迎される可能性が高い。この進歩は材料科学における大きなマイルストーンとなるだけでなく、さまざまな業界にわたるイノベーションの新たな道を切り開きます。

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