Un nuevo tratamiento térmico desarrollado por el MIT transforma la estructura microscópica de los metales impresos en 3D, lo que hace que los materiales sean más fuertes y resistentes en entornos térmicos extremos. La técnica podría hacer posible la impresión en 3D de álabes y álabes de alto rendimiento para turbinas de gas y motores a reacción que generan energía, lo que permitiría nuevos diseños con un mejor consumo de combustible y eficiencia energética.

Los álabes de las turbinas de gas actuales se fabrican mediante procesos de fundición convencionales en los que el metal fundido se vierte en moldes complejos y se solidifica direccionalmente. Estos componentes están hechos de algunas de las aleaciones de metal más resistentes al calor en la Tierra, ya que están diseñados para girar a altas velocidades en gas extremadamente caliente, extrayendo trabajo para generar electricidad en plantas de energía y empuje en motores a reacción.

Existe un interés creciente en la fabricación de álabes de turbinas a través de la impresión 3D, que, además de sus beneficios ambientales y económicos, podría permitir a los fabricantes producir rápidamente geometrías de álabes más complejas y eficientes desde el punto de vista energético. Pero los esfuerzos para imprimir álabes de turbina en 3D aún tienen que superar un gran obstáculo: la fluencia.

En metalurgia, la fluencia se refiere a la tendencia de un metal a deformarse permanentemente ante la tensión mecánica persistente y las altas temperaturas. Si bien los investigadores han explorado la impresión de álabes de turbinas, han descubierto que el proceso de impresión produce granos finos del orden de decenas a cientos de micrones de tamaño, una microestructura que es especialmente vulnerable a la fluencia.

“En la práctica, esto significaría que una turbina de gas tendría una vida más corta o una menor eficiencia de combustible”, dice Zachary Cordero, profesor de desarrollo de carrera de Boeing en aeronáutica y astronáutica en el MIT. “Estos son resultados costosos e indeseables”.

Cordero y sus colegas encontraron una manera de mejorar la estructura de las aleaciones impresas en 3D agregando un paso adicional de tratamiento térmico, que transforma los granos finos del material impreso en granos "columnares" mucho más grandes, una microestructura más resistente que debería minimizar el material. potencial de fluencia, ya que las “columnas” están alineadas con el eje de mayor tensión. Los investigadores dicen que el método, descrito hoy en Additive Manufacturing, despeja el camino para la impresión industrial en 3D de álabes de turbinas de gas.

“En un futuro cercano, imaginamos que los fabricantes de turbinas de gas imprimirán sus álabes y álabes en plantas de fabricación aditiva a gran escala, y luego los procesarán con nuestro tratamiento térmico”, dice Cordero. “La impresión 3D permitirá nuevas arquitecturas de enfriamiento que pueden mejorar la eficiencia térmica de una turbina, de modo que produzca la misma cantidad de energía mientras quema menos combustible y, en última instancia, emite menos dióxido de carbono”.

Los coautores del estudio de Cordero son el autor principal Dominic Peachey, Christopher Carter y Andres Garcia-Jimenez en el MIT, Anugrahaprada Mukundan y Marie-Agathe Charpagne de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y Donovan Leonard del Laboratorio Nacional Oak Ridge.

Activando una transformación

El nuevo método del equipo es una forma de recristalización direccional, un tratamiento térmico que pasa un material a través de una zona caliente a una velocidad controlada con precisión para fusionar los muchos granos microscópicos de un material en cristales más grandes, más resistentes y más uniformes.

La recristalización direccional se inventó hace más de 80 años y se ha aplicado a materiales forjados. En su nuevo estudio, el equipo del MIT adaptó la recristalización direccional para superaleaciones impresas en 3D.

El equipo probó el método en superaleaciones a base de níquel impresas en 3D, metales que normalmente se funden y utilizan en turbinas de gas. En una serie de experimentos, los investigadores colocaron muestras impresas en 3D de superaleaciones en forma de varilla en un baño de agua a temperatura ambiente colocado justo debajo de una bobina de inducción. Extrajeron lentamente cada barra del agua y la atravesaron a varias velocidades, calentando dramáticamente las barras a temperaturas que variaban entre 1200 y 1245 grados centígrados.

Descubrieron que estirar las varillas a una velocidad particular (2,5 milímetros por hora) ya través de una temperatura específica (1.235 grados Celsius) creaba un fuerte gradiente térmico que desencadenaba una transformación en la microestructura impresa de grano fino del material.

“El material comienza como pequeños granos con defectos llamados dislocaciones, que son como un espagueti destrozado”, explica Cordero. “Cuando calientas este material, esos defectos pueden aniquilarse y reconfigurarse, y los granos pueden crecer. Estamos alargando continuamente los granos al consumir el material defectuoso y los granos más pequeños, un proceso denominado recristalización”.

Escabullirse

Después de enfriar las varillas tratadas térmicamente, los investigadores examinaron su microestructura usando microscopía óptica y electrónica, y encontraron que los granos microscópicos impresos del material fueron reemplazados por granos "columnares", o regiones largas similares a cristales que eran significativamente más grandes que los granos originales.

“Hemos transformado completamente la estructura”, dice el autor principal, Dominic Peachey. "Demostramos que podemos aumentar el tamaño del grano en órdenes de magnitud, a granos columnares masivos, lo que teóricamente debería conducir a mejoras dramáticas en las propiedades de fluencia".

El equipo también demostró que podían manipular la velocidad de extracción y la temperatura de las muestras de varillas para adaptar los granos en crecimiento del material, creando regiones de orientación y tamaño de grano específicos. Este nivel de control, dice Cordero, puede permitir a los fabricantes imprimir álabes de turbinas con microestructuras específicas del sitio que son resistentes a condiciones operativas específicas.

Cordero planea probar el tratamiento térmico en geometrías impresas en 3D que se asemejan más a las palas de una turbina. El equipo también está explorando formas de acelerar la tasa de estiramiento, así como probar la resistencia a la fluencia de una estructura tratada térmicamente. Luego, imaginan que el tratamiento térmico podría permitir la aplicación práctica de la impresión 3D para producir álabes de turbina de grado industrial, con formas y patrones más complejos.

“Las nuevas geometrías de palas y álabes permitirán turbinas de gas terrestres más eficientes energéticamente y, eventualmente, motores aeronáuticos”, señala Cordero. "Desde una perspectiva de referencia, esto podría conducir a unas emisiones de dióxido de carbono más bajas, simplemente a través de una mayor eficiencia de estos dispositivos".

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.