في 20 نوفمبر 2023، طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة مبتكرة للمعالجة الحرارية يمكنها تحسين قوة المنتجات المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بشكل كبير، مما يجعلها أكثر مقاومة لبيئات درجات الحرارة المرتفعة للغاية. يفتح هذا التقدم التكنولوجي إمكانيات جديدة لتصنيع شفرات ودوارات عالية الأداء لاستخدامها في توربينات الغاز لتوليد الطاقة وحتى المحركات النفاثة. يعد هذا إنجازًا كبيرًا لصناعة المنتجات المعدنية، حيث أصبح من الممكن الآن الطباعة ثلاثية الأبعاد بدقة مذهلة دون التضحية بجودة وموثوقية الأجزاء المعدنية.
يتم سحب قضيب رفيع من السبائك الفائقة المطبوعة ثلاثية الأبعاد من حمام مائي وتمريره عبر ملف تحريضي، حيث يتم تسخينه إلى درجة حرارة تغير بنيته الدقيقة، مما يجعل المادة أكثر مرونة.
عادة ما يتم تصنيع شفرات توربينات الغاز باستخدام عمليات الصب التقليدية. يقوم المصنعون بصب المعدن المنصهر في قوالب معقدة، مما يسمح له بالتصلب بشكل مباشر، ثم يستخدمون مجموعة متنوعة من أدوات التشغيل لإنهاء الأجزاء المعدنية النهائية. يجب أن تكون الشفرات قادرة على الدوران بسرعات عالية في الغازات الساخنة للغاية لتوليد الكهرباء في محطات توليد الطاقة وتوفير الدفع للمحركات النفاثة.
ومع ذلك، هناك اهتمام متزايد بتصنيع شفرات التوربينات من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهي طريقة صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة وتسمح للمصنعين بإنتاج أشكال هندسية أكثر تعقيدًا وكفاءة في استخدام الطاقة. لسوء الحظ، هناك عقبة كبيرة يجب التغلب عليها: الزحف.
الزحف هو ميل المعادن إلى التشوه بشكل دائم تحت ضغط ميكانيكي مستمر ودرجات حرارة مرتفعة. وقد وجدت الأبحاث السابقة أن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد تنتج جزيئات دقيقة يتراوح حجمها من عشرات إلى مئات الميكرونات. على الرغم من أنها بالكاد مرئية بالعين المجردة، إلا أن هذه البنية المجهرية معرضة بشكل خاص للزحف.
يوضح زاكاري كورديرو، أستاذ التطوير المهني في بوينغ للملاحة الجوية والفضائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "من الناحية العملية، هذا يعني أن توربينات الغاز سيكون لها عمر خدمة أقصر أو ستكون أقل كفاءة في استهلاك الوقود".
ولحل هذه المشكلة، وجد كورديرو وزملاؤه طريقة لتحسين بنية السبائك المطبوعة ثلاثية الأبعاد عن طريق إضافة خطوة معالجة حرارية جديدة. تعمل هذه الطريقة على تحويل الحبيبات الدقيقة للمادة المطبوعة إلى حبيبات "عمودية" أكبر، وهي بنية مجهرية أقوى تقلل من الزحف في المادة. تتم محاذاة "أعمدة" الحبوب مع محور الضغط الأقصى.
يدعي مؤلفو الدراسة الجديدة أن طريقة جديدة للمعالجة الحرارية يمكن أن تحدث ثورة في الطباعة الصناعية ثلاثية الأبعاد لشفرات توربينات الغاز.
وقال كورديرو: "في المستقبل القريب، نتوقع أن يقوم مصنعو توربينات الغاز بطباعة شفراتهم ودواراتهم في مصانع تصنيع المواد المضافة الكبيرة ومن ثم معالجتها بعد ذلك باستخدام المعالجة الحرارية لدينا. ستمكن الطباعة ثلاثية الأبعاد من إنشاء بنيات تبريد جديدة من شأنها تحسين الكفاءة الحرارية للتوربينات". التوربينات، وبالتالي إنتاج نفس الكمية من الكهرباء مع حرق كمية أقل من الوقود وفي النهاية انبعاث كميات أقل من ثاني أكسيد الكربون.
إعداد إعادة البلورة الاتجاهية. إزالة العينة من المبرد من خلال المنطقة الساخنة. يحافظ التدرج الحراري الحاد أمام المنطقة الساخنة على كثافة خلع عالية تؤدي إلى جبهة إعادة البلورة.
إعادة البلورة الاتجاهية للسبائك ذات درجة الحرارة العالية
الطريقة الجديدة لفريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هي شكل من أشكال إعادة البلورة الاتجاهية، وهي معالجة حرارية تحرك المادة عبر منطقة ساخنة بسرعات يتم التحكم فيها بدقة، ودمج حبيبات المادة المجهرية العديدة في بلورات موحدة أكبر وأقوى وأكثر متانة.
استخدم الباحثون إعادة البلورة الاتجاهية للسبائك الفائقة المطبوعة ثلاثية الأبعاد، والتي يتم صبها بشكل شائع واستخدامها في توربينات الغاز. لقد اختبروا الطريقة على سبائك فائقة مصنوعة من النيكل مطبوعة بشكل ثلاثي الأبعاد، والتي تم غمرها في حمام مائي بدرجة حرارة الغرفة مباشرة أسفل ملف الحث. وقاموا بسحب كل قضيب من الماء ببطء، وتحكموا في الملفات بسرعات مختلفة، وقاموا بتسخين القضبان بشكل حاد إلى درجات حرارة تتراوح بين 1200 و1245 درجة مئوية.
ووجدوا أن سحب القضيب بسرعة محددة (2.5 ملم/ساعة) ودرجة حرارة محددة (1235 درجة مئوية) خلق تدرجًا حراريًا حادًا أدى إلى حدوث تحول في البنية المجهرية الدقيقة للمادة المطبوعة.
يوضح كورديرو: "تبدأ المادة كجزيئات صغيرة بها عيوب تسمى الخلع، مثل السباغيتي المكسورة". "عندما تقوم بتسخين المادة، تختفي هذه العيوب وتتشكل من جديد، وتنمو الحبوب." نستمر في إطالة الحبيبات عن طريق استهلاك المواد المعيبة والحبيبات الأصغر، وهي عملية تسمى إعادة البلورة.
أخيرًا، أكد فحص القضبان المعالجة بالحرارة باستخدام المجهر الضوئي والإلكتروني أن الحبيبات المجهرية الموجودة على سطح الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد وُضعت في حبيبات "عمودية"، مما أدى إلى تحسين خصائص الزحف بشكل ملحوظ. من خلال التحكم في سرعة الرسم ودرجة حرارة عينة القضيب، يمكن للجزيئات المطبوعة تحقيق أحجام واتجاهات محددة. قد يكون هذا المستوى من التحكم موضع ترحيب من قبل الشركات المصنعة للتوربينات. لا يمثل هذا التقدم علامة فارقة مهمة في علم المواد فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا جديدة للابتكار عبر الصناعات.