新型铌基合金被开发用于3D打印涡轮叶片上

2021-02-23 14:33 来源:酷游玩家网 作者:佚名

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计算材料设计专家奎斯特克已获得美国能源部能源高级研究计划局(ARPA-E)的120万美元资助,用于开发新型的铌基3D打印合金。

 

该公司获得了ARPA-E超高温不透性材料来提高涡轮效率(ULTIMATE)的计划,该计划旨在开发专门用于生产燃气涡轮叶片的高性能材料。因此,奎斯特克的梯度功能合金将用于制造超高温能源和航空航天应用的燃气轮机叶片,并希望它们能够通过更高的工作温度来提高燃油效率。

 

奎斯特克设计与产品开发经理达娜·弗兰克尔博士指出:“设计一种新型涡轮材料,其性能明显优于目前的镍基超级合金,这是当今材料科学领域面临的最大挑战之一。”

 

燃气涡轮发动机会经受极高的温度和压力

 

采取计算方法

 

尽管与金属3D打印一样先进,但仍然存在大量冶金问题,阻碍了它的大规模采用。例如,在3D打印合金上,使用某些常规化学和热处理方法,通常会导致在打印过程中出现裂纹,或在打印后出现较差的机械性能,从而限制了该技术在规范行业中的潜力。

 

这是奎斯特克试图用其专有的集成计算材料工程(ICME)模型来克服的障碍。该公司采用一种计算方法进行合金开发,使用算法修改材料的可打印性并优化其各自的热处理以提高性能。

 

奎斯特克已经完成了50多个政府资助的项目,在超级合金,耐火合金和高熵合金设计(包括铝,钢,镍和钛基合金)方面拥有丰富的经验。

 

奎斯特克已经开发出的用于粉末床熔合的高温铝合金

 

燃气轮机效率的影响

 

奎斯特克的铌基合金将与许多最先进的适用于燃气轮机叶片的高温合金相抗衡。不幸的是,这些合金中的许多合金具有有限的高温稳定性或影响其3D打印的其他问题。反过来,这在设计和试验新型涡轮叶片类型时为工程师授予了几何自由度的上限。

 

 

除此之外,由于发动机效率在很大程度上取决于系统的最高循环温度,这意味着其随运行温度的变化而变化,因此奎斯特克的铌基合金将直接提高喷气发动机和发电厂的燃气轮机效率。除了明显的经济利益外,这项工作还旨在减少碳排放。

 

该公司将与涡轮发动机原始设备制造商普惠公司密切合作,以定义航空航天要求,共同设计最终用途组件,并执行测试和鉴定程序。此外,奎斯特克还将与NASA的喷气推进实验室进行3D打印工艺开发合作,并与明尼苏达大学合作开发高温涂层。

 

 

弗兰克尔总结说:“我们很高兴有机会运用我们久经考验的计算材料设计方法来开发新的耐火涡轮合金,从而为涡轮发动机性能和效率的逐步改变铺平了道路。”

 

关键发动机组件(例如涡轮叶片)的3D打印是该技术的相对较新的应用。在海事领域,国防承包商海军集团最近为法国海军舰船制造了完全3D打印的螺旋桨。据报道,该螺旋桨具有2.5米的跨度和五个单独的200kg桨叶,据称这是世界上同类增材制造的最大推进器。

 

在俄罗斯的其他地方,国家支持的高级研究基金会(FPI)和联邦国家统一企业(VIAM)此前已经对其3D打印的MGTD-20燃气涡轮发动机进行了飞行测试,该发动机最高时速为154公里。据报道,与传统制造方法相比,该3D打印设备还使车辆成本降低了一半,交货时间缩短了约20倍。

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