Нейтроны «видят» внутреннее напряжение в компонентах, изготовленных аддитивным производством, – пишет eurekalert.org. 3D-печать открыла совершенно новые возможности. Одним из примеров является производство турбинных лопаток нового типа. Однако процесс 3D-печати часто вызывает внутреннее напряжение в компонентах, которое в худшем случае может привести к трещинам.

Теперь исследовательской группе удалось использовать нейтроны из исследовательского источника нейтронов Мюнхенского технического университета (TUM) для неразрушающего обнаружения этого внутреннего напряжения, что является ключевым достижением для улучшения производственных процессов.

Лопатки газовых турбин должны выдерживать экстремальные условия: под высоким давлением и при высоких температурах они подвергаются огромным центробежным силам. Чтобы еще больше увеличить выход энергии, они должны выдерживать температуры, которые на самом деле выше точки плавления материала. Это стало возможным благодаря использованию полых лопаток турбины, охлаждаемых воздухом изнутри.

Эти турбинные лопатки могут быть изготовлены с использованием технологии аддитивного производства Laser Powder Bed Fusion: здесь исходный материал в виде порошка создается слой за слоем путем селективного плавления с помощью лазера. Следуя примеру птичьих костей, сложные решетчатые конструкции внутри полых турбинных лопаток обеспечивают необходимую устойчивость детали.

Производственный процесс создает внутреннее напряжение в материале.

«Сложные компоненты с такой сложной структурой было бы невозможно изготовить с использованием традиционных методов производства, таких как литье или фрезерование», – говорит д-р Тобиас Фрич из Федерального института исследования материалов и испытаний Германии (BAM).

Но сильно локализованный подвод тепла лазером и быстрое охлаждение ванны расплава приводят к остаточному напряжению в материале. Производители обычно устраняют такое напряжение на последующей стадии термообработки, которая, однако, требует времени и, следовательно, денег. К сожалению, эти напряжения могут также повредить компоненты уже в процессе производства и до тех пор, пока не будет произведена постобработка.

«Напряжение может привести к деформации, а в худшем случае – к трещинам», – говорит Тобиас Фрич.

Поэтому он исследовал компонент газовой турбины на предмет внутреннего напряжения, используя нейтроны из исследовательского источника нейтронов Хайнца Майера-Лейбница (FRM II). Компонент был изготовлен с использованием процессов аддитивного производства производителем газовых турбин Siemens Energy.

Для нейтронного эксперимента на FRM II компания Siemens Energy напечатала решетчатую структуру размером всего несколько миллиметров из никель-хромового сплава, типичного для компонентов газовых турбин. Обычная термическая обработка после изготовления была намеренно исключена.

«Мы хотели посмотреть, можем ли мы использовать нейтроны для обнаружения внутренних напряжений в этом сложном компоненте», – объясняет Тобиас Фрич.

Он уже приобрел опыт нейтронных измерений на берлинском исследовательском реакторе BER II, который, однако, был остановлен в конце 2019 года.

«Мы очень рады возможности проводить измерения в Центре Хайнца Майера-Лейбница в Гархинге; с оборудованием, предоставленным STRESS-SPEC, мы даже смогли устранить внутренние напряжения в таких сложных и сложных решетчатых конструкциях», – говорит физик.

Теперь, когда команде удалось обнаружить внутреннее напряжение в компоненте, следующим шагом является снижение этого разрушительного напряжения.

«Мы знаем, что нам необходимо изменить параметры производственного процесса и, следовательно, способ сборки компонента во время печати, – говорит Фрич. Здесь решающим фактором является тепловложение с течением времени при наращивании отдельных слоев. – Чем более локализовано приложение тепла в процессе плавления, тем выше внутреннее напряжение».

Пока лазер принтера направлен на заданную точку, температура точки повышается по сравнению с соседними областями. Это приводит к температурным градиентам, которые приводят к неоднородностям атомной решетки.

«Таким образом, мы должны максимально равномерно распределять тепло во время процесса печати», – говорит Фрич.

В будущем группа изучит ситуацию с новыми компонентами и измененными параметрами печати. Команда уже работает вместе с Siemens над планированием новых измерений с нейтронным источником TUM в Гархинге.