通过3D打印机制造的节能燃气轮机

格子结构稳态仪器

中子可以“看到”通过金属。因此中子衍射是测量通过添加剂制造制造的部件内部残留应力的理想方法。该图像显示了在慕尼黑技术大学的研究中子源Heinz Maier-Leibnitz的残余应力衍射仪应力 - 规格上的测量位置的晶格结构。信用:Tobias Fritsch / BAM博士

中子“见”零部件的内部应力从加性制造。

3D打印开辟了全新的可能性。一个例子是新型涡轮机桶的生产。然而,3D打印过程通常诱导最坏情况下可以在最坏情况下导致裂缝的内部应力。现在,研究团队成功地使用了慕尼黑技术大学(Tum)研究中子源反应器的中子,以进行这种内部压力的非破坏性检测 - 改善生产过程的关键成就。

燃气轮机铲斗必须承受极端条件:它们在高压和高温下暴露于巨大的离心力。为了进一步最大化能量产量,铲斗必须保持高温实际上高于材料的熔点的温度。使用空心涡轮机铲斗可以从内部空气冷却。

这些涡轮机铲斗可以使用激光粉床融合,一种添加剂制造技术:这里通过用激光选择性熔化来构建粉末形式的起动材料。在禽骨骼的示例之后,中空涡轮机铲斗内的复杂晶格结构提供了必要的稳定性的部分。

空心涡轮机桶晶格结构

在禽骨骼的示例之后,中空涡轮机桶内的复杂格子结构提供了必要的稳定性。从X射线断层扫描数据重建的格子结构的3D图像。信用:Tobias Fritsch / BAM博士

制造过程在材料中产生内部压力

“具有这种复杂结构的复杂部件是不可能使用铸造或研磨等传统制造方法制造的,”德国联邦材料研究所研究和测试(BAM)博士托比亚斯·弗里奇博士说。

但是激光的高度局部热输入和熔池的快速冷却导致材料中的残余应力。制造商通常在下游热处理步骤中消除这种压力,然而需要时间并因此成本。

遗憾的是,这些压力也可以早期损坏组件,然后在生产过程中损坏,直到发生后处理。“压力可能导致变形,并且在最糟糕的情况下导致裂缝,”Tobias Fritsch说。

因此,他研究了使用来自研究中子源Heinz Maier-Leibnitz(FRM II)的中子的内部应力的燃气轮机部件。该组分是使用燃气涡轮机制造商Siemens Energy的添加剂生产方法制成的。

Tobias Fritsch应力规格仪器

使用遥控器Tobias Fritsch博士将晶格结构带入慕尼黑技术大学研究中子源Heinz Maier-Leibnitz的残余应力衍射仪应力 - 规格中的正确测量位置。信用:Michael Hofmann博士

故意省略后处理

对于FRM II的中子实验,Siemens能量使用镍铬仅打印几毫米的晶格结构合金典型的那些用于燃气轮机组件。有意省略生产后通常的热处理。

“我们想看看我们是否可以使用中子来检测这种复杂组件中的内部应力,”解释紫杉。他已经在柏林研究反应堆BER II上获得了中子测量的经验,然而在2019年底关闭了。

“我们很高兴能够在袜子中进行Heinz Maier-Leibnitz Zentrum进行测量;用压力规范提供的设备,我们甚至能够以错综复杂的和复杂的晶格结构中的内部压力,因为这些物理学家说。

甚至在印刷过程中分配热量

现在,该团队成功地检测到组件内的内部压力,下一步是降低这种破坏性的压力。“我们知道我们必须修改生产过程参数,从而修改打印过程中组件的方式,”Fritsch说。这里,关键因素是在构建各个层时随时间的热量输入。“热应用在熔化过程中的局部化越多,内部应力越多。”

只要打印机的激光器瞄准给定点,点的热量相对于相邻区域升高。这导致温度梯度导致原子晶格中的不规则性。

“所以我们必须尽可能均匀地在印刷过程中分配热量,”Fritsch说。未来本集团将研究新的组件和修改的打印参数。该团队已经与西门子合作,并用袜子中的肿瘤中子来源计划新的测量。

参考文献:“关于瘾地制造的晶格结构中残留应力的测定”由T.Fritsch,M. Sprengel,A. Evans,L. Farahbod-Sternahl,R. Saliwan-Neumann,M. Hofmann和G. Bruno,应用晶体学杂志
DOI:10.1107 / S1600576720015344

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