Il 20 novembre 2023, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo innovativo di trattamento termico che può migliorare significativamente la resistenza dei prodotti metallici stampati in 3D, rendendoli più resistenti agli ambienti con temperature estremamente elevate. Questa innovazione tecnologica apre nuove possibilità per la produzione di pale e palette ad alte prestazioni da utilizzare nelle turbine a gas per la produzione di energia e persino nei motori a reazione. Si tratta di un importante passo avanti per l’industria dei prodotti in metallo, poiché ora è possibile stampare in 3D con straordinaria precisione senza sacrificare la qualità e l’affidabilità delle parti metalliche.
Una sottile barra di superlega stampata in 3D viene estratta da un bagno d’acqua e fatta passare attraverso una bobina di induzione, dove viene riscaldata a una temperatura che ne modifica la microstruttura, rendendo il materiale più elastico.
Le pale delle turbine a gas vengono solitamente prodotte utilizzando processi di fusione tradizionali. I produttori versano il metallo fuso in stampi complessi, consentendogli di solidificarsi direzionalmente, quindi utilizzano una varietà di strumenti di lavorazione per rifinire le parti metalliche finali. Le pale devono essere in grado di ruotare ad alta velocità in gas estremamente caldi per generare elettricità nelle centrali elettriche e fornire spinta ai motori a reazione.
Tuttavia, vi è un crescente interesse nella produzione di pale di turbine attraverso la stampa 3D, un metodo che è ecologico ed economico e consente ai produttori di produrre geometrie di pale più complesse ed efficienti dal punto di vista energetico. Purtroppo c’è un grosso ostacolo da superare: il creep.
Il creep è la tendenza dei metalli a deformarsi permanentemente sotto stress meccanico prolungato e temperature elevate. Precedenti ricerche hanno scoperto che il processo di stampa 3D produce particelle fini di dimensioni comprese tra decine e centinaia di micron. Anche se appena visibile ad occhio nudo, questa microstruttura è particolarmente suscettibile allo scorrimento viscoso.
"In termini pratici, ciò significa che le turbine a gas avranno una vita utile più breve o saranno meno efficienti nei consumi", spiega Zachary Cordero, professore di aeronautica e astronautica Boeing per lo sviluppo della carriera al MIT.
Per risolvere questo problema, Cordero e colleghi hanno trovato un modo per migliorare la struttura delle leghe stampate in 3D aggiungendo una nuova fase di trattamento termico. Questo metodo trasforma la grana fine del materiale stampato in grani "colonnari" più grandi, una microstruttura più forte che riduce al minimo lo scorrimento nel materiale. I "pilastri" del grano sono allineati con l'asse di massimo stress.
Gli autori del nuovo studio affermano che un nuovo metodo di trattamento termico potrebbe rivoluzionare la stampa 3D industriale delle pale delle turbine a gas.
Cordero ha dichiarato: “Nel prossimo futuro, ci aspettiamo che i produttori di turbine a gas stampino le loro pale e palette in grandi impianti di produzione additiva e poi le post-processino utilizzando il nostro trattamento termico. La stampa 3D consentirà nuove architetture di raffreddamento che miglioreranno l’efficienza termica del turbina, producendo così la stessa quantità di elettricità bruciando meno carburante e, in definitiva, emettendo meno anidride carbonica."
Configurazione della ricristallizzazione direzionale. Rimuovere il campione dal liquido di raffreddamento attraverso la zona calda. Il forte gradiente termico davanti alla zona calda mantiene un'elevata densità di dislocazioni che portano al fronte di ricristallizzazione.
Ricristallizzazione direzionale di leghe ad alta temperatura
Il nuovo metodo del team del MIT è una forma di ricristallizzazione direzionale, un trattamento termico che sposta un materiale attraverso una zona calda a velocità controllate con precisione, fondendo i numerosi grani microscopici del materiale in cristalli uniformi più grandi, più forti e più durevoli.
I ricercatori hanno utilizzato la ricristallizzazione direzionale di una superlega stampata in 3D, che viene comunemente fusa e utilizzata nelle turbine a gas. Hanno testato il metodo su superleghe a base di nichel stampate in 3D a forma di bastoncino, che sono state immerse in un bagno d’acqua a temperatura ambiente direttamente sotto la bobina di induzione. Hanno tirato lentamente ciascuna asta fuori dall'acqua e hanno controllato le bobine a velocità diverse, riscaldando bruscamente le aste a temperature comprese tra 1.200 e 1.245 gradi Celsius.
Hanno scoperto che tirando l’asta a una velocità specifica (2,5 mm/ora) e a una temperatura specifica (1.235 gradi Celsius) si creava un forte gradiente termico che innescava una trasformazione nella microstruttura a grana fine del materiale stampato.
"Il materiale inizia come piccole particelle con difetti chiamati dislocazioni, come spaghetti rotti", spiega Cordero. "Quando riscaldi il materiale, questi difetti scompaiono e si riconfigurano, e i grani crescono." Continuiamo ad allungare i grani consumando materiale difettoso e grani più piccoli, un processo chiamato ricristallizzazione.
Infine, l’esame delle aste trattate termicamente mediante microscopia ottica ed elettronica ha confermato che i grani microscopici sulla superficie delle parti metalliche stampate in 3D erano posizionati in grani “colonnari”, con conseguente proprietà di scorrimento significativamente migliorate. Controllando la velocità di disegno e la temperatura del campione in barra, le particelle stampate possono raggiungere dimensioni e orientamenti specifici. Questo livello di controllo potrebbe essere accolto favorevolmente dai produttori di turbine. Questo progresso non solo segna un’importante pietra miliare nella scienza dei materiali, ma apre anche nuove strade per l’innovazione in tutti i settori.