Newswise — Риши Пиллаи и его исследовательская группа из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики получат награду за лучшую статью от Международного института газовых турбин Американского общества инженеров-механиков в июне на выставке Turbo Expo 2024 в Лондоне.

Победителем стала статья «Использование аддитивного производства для изготовления жаропрочных сплавов с совместно разработанными механическими свойствами и устойчивостью к воздействию окружающей среды», которую Пиллаи представила в июне на выставке Turbo Expo 2023 в Бостоне.

Ученые ORNL совместно разработали сплав на основе никеля с градуированным составом для теплообменников с расплавленными галогенидными солями и сверхкритическим диоксидом углерода. Цель состояла в том, чтобы смягчить экологическое ухудшение поверхностей, подвергающихся воздействию расплавленных солей галогенидов с одной стороны и окислительной атмосферы на противоположной поверхности теплообменников, одновременно предотвращая последующее термическое и коррозионное ухудшение механической стабильности.

Эта работа продемонстрировала применимость аддитивного производства для проектирования и изготовления материалов, обладающих как прочностью, так и коррозионной стойкостью для работы в экстремальных условиях, таких как ядерные реакторы или системы генерации электроэнергии.

«Обычные протоколы проектирования материалов стремятся достичь индивидуальных физических свойств, следуя последовательному подходу, но они не могут предвидеть последствия сложных взаимодействий между основными явлениями», — сказал Пиллаи. «Например, такие события, как ухудшение состояния окружающей среды и термомеханическая стабильность, могут существенно повлиять на эффективность, производительность и требования к жизненному циклу».

Хотя преобладающее решение по нанесению устойчивых к окислению и термобарьерных покрытий для защиты деталей из металлических сплавов от суровых условий сделало возможными современные энергетические и летные технологии, сохраняются ограничения в отношении долговременной работы деталей.

«Обычно нанесение покрытия на внутренние поверхности очень сложно, потому что у вас нет прямой видимости, а в действительно небольших деталях, таких как трубы и узкие каналы, падение давления делает управление процессами химического осаждения из паровой фазы чрезвычайно сложным и трудным. практически невозможно», — сказал Пиллаи. «Наши исследования открывают новую область для разработки сплавов с сооптимизированными свойствами. Преимущество заключается в том, что вы оцениваете химический состав материала по мере его изготовления, что позволяет производить весь компонент, полностью устраняя при этом необходимость в процессах соединения — например, пайке в теплообменниках — в изготавливаемой детали».

Со временем химически несовместимые системы в покрытиях могут начать взаимодействовать таким образом, что ухудшаются свойства покрытий и опорных поверхностей. Исследователи ORNL продемонстрировали, что технология аддитивного производства может решить эти проблемы, постепенно изменяя состав материала по мере его нанесения на печатный объект.

«Тщательно выбранный класс состава, определенный с помощью высокоточных моделей деградации материалов и оценки срока службы компонентов, предполагает, что деталь будет эксплуатироваться от 30 000 до 50 000 часов при температурах, соответствующих интересующему применению», — сказал Пиллаи. «Мы можем выбрать классификацию, которая сводит к минимуму взаимодействие между различными химическими составами материалов детали, обеспечивая при этом необходимую устойчивость к деградации окружающей среды на поверхности. В результате мы изготовляем жаропрочный сплав с оптимизированными механическими свойствами и коррозионной стойкостью и устраняем необходимость в покрытиях».

В исследовании применялись три основных направления: разработка материалов с помощью вычислений, оптимизация производственных параметров и расширенная характеристика. Команда использовала вычислительные инструменты, чтобы изучить, как создать сплав с определенными характеристиками и свойствами устойчивости к разрушению под воздействием окружающей среды. Они также использовали оптимизацию параметров, чтобы обеспечить изготовление без трещин различных геометрических форм, необходимых для таких деталей, как пластины и трубки теплообменника, а также расширенную характеристику для тщательного изучения микроструктуры изготовленных деталей.

Предварительные коррозионные и механические испытания продукта, полученного в ходе исследования, продемонстрировали его потенциал для замены материалов с покрытием.

Пиллаи сказал, что получение награды за лучшую статью признало расширяемость технологии, продемонстрированной исследованием: «Комитет Turbo Expo и аудитория признали, что, хотя я выбрал сплав, предназначенный для теплообменников с расплавленными галогенидными солями и сверхкритическим диоксидом углерода, они могли видеть ценность переноса этого подхода на газовые турбины и другие применения».

Работа была выполнена в рамках программы лабораторных исследований и разработок «Инициатива цифровой металлургии», возглавляемой Пиллаем. В отличие от последовательного метода, совместное проектирование параллельно рассматривает аспекты механической и коррозионной устойчивости архитектуры. Этот подход создает точно адаптированные свойства материала на основе зон, которые имеют решающее значение для успешной реализации энергетических технологий следующего поколения.

UT-Battelle управляет ORNL для Научного управления Министерства энергетики. Управление науки, являющееся крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах, работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, посетите Energy.gov/science . — Скотт Гибсон