Ученые разработали новый метод создания более прочных металлов для использования в экстремальных условиях, например, в турбинах электростанций. Используя 3D-печать и нейтронную технологию для анализа металла, они обнаружили, что термическая обработка может снизить напряжение внутри металла, делая его более прочным.

Нейтронные эксперименты выявили микроскопические детали специального суперсплава, напечатанного на 3D-принтере, который потенциально может снизить стоимость компонентов. (Ширина металлического образца, напечатанного на 3D-принтере, составляет около 4 дюймов). Напечатанные и термообработанные образцы монтируются на основу и подвергаются воздействию нейтронного луча для анализа остаточных напряжений или неровностей, таких как трещины или пустоты, образовавшиеся в процессе производства). Источник: Национальная лаборатория Ок-Риджа.

Экстремальные приложения, такие как современные газовые турбины, используемые для выработки электроэнергии, требуют столь же сложных материалов. В этом исследовании ученые исследовали воздействие напряжений инновационного «суперсплава», состоящего из двух высокопрочных и устойчивых к высоким температурам металлов. Команда создала эти сплавы с использованием технологии 3D-печати, которая использует лазеры для придания металлическому порошку определенных форм. Затем они использовали нейтроны для анализа внутренней структуры напечатанного металла.

Исследования показали, что термическая обработка может эффективно снять напряжение, возникающее в процессе производства. Кроме того, исследование показало, что на эти напряжения больше влияют конкретные параметры производства, чем химический состав металла.

Исследовательская группа умело использовала технологию лазерной 3D-печати для создания сплава из двух разных металлов (Inconel 718 и Rainey 41) без каких-либо трещин. Нейтронные эксперименты привели к разработке усовершенствованного метода точной и эффективной оценки уровней напряжения в металлах на протяжении всего производственного процесса. Результаты помогут производить более прочные и совершенные сплавы, которые дешевле производить. Эти сплавы имеют решающее значение для применения в экстремальных условиях.

Аддитивное производство, или 3D-печать, — это новый метод изготовления металлических деталей и других типов материалов слой за слоем. В ходе исследовательского проекта, созданного в результате сотрудничества исследователей из General Electric Company, Института сварки Эдисона и Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL), на обоих концах был напечатан сплав, состоящий из Inconel 718 и Raney 41, с областью с градиентным составом посередине. В ходе исследования оценивались напряжения и изменения состава сплава. С этой целью исследователи провели нейтронные эксперименты на источнике разбухающих нейтронов (SNS) и изотопном реакторе с высоким потоком (HFIR) в ORNL, которые являются объектами использования Управления науки Министерства энергетики США. Нейтроны идеально подходят для изучения внутренних напряжений материалов, поскольку они могут проникать в плотные металлы.

Используя дифрактометр VULCAN от SNS и имидж-сканер MARS от HFIR, исследователи измерили распределение остаточной деформации решетки, чтобы понять, как остаточное напряжение и состав материала изменяются на разных этапах обработки. Нейтронные исследования показали, что остаточные напряжения в основном вызваны производственным процессом и могут быть уменьшены термообработкой. Исследования показали, что чем дольше время воздействия лазера или чем выше энергия, тем сильнее стресс. Нейтронные исследования также помогли компании разработать более эффективный способ анализа металлов, сделав их более полезными для изготовления более качественных деталей с меньшими затратами с использованием аддитивного производства.

Составлено из/SciTechDaily

DOI:10.3389/ftmal.2022.1070562