Pada tanggal 20 November 2023, para peneliti di MIT mengembangkan metode perlakuan panas inovatif yang secara signifikan dapat meningkatkan kekuatan produk logam cetakan 3D, menjadikannya lebih tahan terhadap lingkungan bersuhu tinggi yang ekstrem. Terobosan teknologi ini membuka kemungkinan baru dalam pembuatan bilah dan baling-baling berkinerja tinggi untuk digunakan dalam turbin gas pembangkit listrik dan bahkan mesin jet. Ini merupakan terobosan besar bagi industri produk logam, karena pencetakan 3D kini dapat dilakukan dengan presisi menakjubkan tanpa mengorbankan kualitas dan keandalan komponen logam.
Batang tipis superalloy cetakan 3D ditarik dari penangas air dan dilewatkan melalui koil induksi, lalu dipanaskan hingga suhu yang mengubah struktur mikronya, membuat material lebih elastis.
Bilah turbin gas biasanya diproduksi menggunakan proses pengecoran tradisional. Pabrikan menuangkan logam cair ke dalam cetakan yang rumit, membiarkannya mengeras secara terarah, kemudian menggunakan berbagai peralatan permesinan untuk menyelesaikan bagian logam akhir. Bilahnya harus mampu berputar dengan kecepatan tinggi dalam gas yang sangat panas untuk menghasilkan listrik di pembangkit listrik dan memberikan daya dorong bagi mesin jet.
Namun, terdapat peningkatan minat dalam pembuatan bilah turbin melalui pencetakan 3D, sebuah metode yang ramah lingkungan dan hemat biaya serta memungkinkan produsen menghasilkan geometri bilah yang lebih kompleks dan hemat energi. Sayangnya, ada rintangan besar yang harus diatasi: merayap.
Creep adalah kecenderungan logam untuk berubah bentuk secara permanen di bawah tekanan mekanis yang berkelanjutan dan suhu tinggi. Penelitian sebelumnya menemukan bahwa proses pencetakan 3D menghasilkan partikel halus dengan ukuran mulai dari puluhan hingga ratusan mikron. Meskipun hampir tidak terlihat dengan mata telanjang, struktur mikro ini sangat rentan terhadap perambatan.
“Secara praktis, ini berarti turbin gas akan memiliki masa pakai lebih pendek atau lebih hemat bahan bakar,” jelas Zachary Cordero, Profesor Pengembangan Karir Boeing di bidang Aeronautika dan Astronautika di MIT.
Untuk mengatasi masalah ini, Cordero dan rekannya menemukan cara untuk memperbaiki struktur paduan cetakan 3D dengan menambahkan langkah perlakuan panas baru. Metode ini mengubah butiran halus bahan cetakan menjadi butiran "kolom" yang lebih besar, struktur mikro yang lebih kuat yang meminimalkan mulur pada bahan. Butir "pilar" sejajar dengan sumbu tegangan maksimum.
Penulis studi baru ini mengklaim bahwa metode perlakuan panas baru dapat merevolusi pencetakan 3D industri pada bilah turbin gas.
Cordero mengatakan: "Dalam waktu dekat, kami memperkirakan produsen turbin gas akan mencetak bilah dan baling-baling mereka di pabrik manufaktur aditif besar dan kemudian melakukan pasca-proses menggunakan perlakuan panas kami. Pencetakan 3D akan memungkinkan arsitektur pendinginan baru yang akan meningkatkan efisiensi termal dari turbin gas. turbin, sehingga menghasilkan jumlah listrik yang sama sambil membakar lebih sedikit bahan bakar dan pada akhirnya mengeluarkan lebih sedikit karbon dioksida."
Pengaturan rekristalisasi terarah. Keluarkan sampel dari cairan pendingin melalui zona panas. Gradien termal yang curam di depan zona panas mempertahankan kepadatan dislokasi yang tinggi yang mengarah ke bagian depan rekristalisasi.
Rekristalisasi terarah dari paduan suhu tinggi
Metode baru tim MIT adalah bentuk rekristalisasi terarah, suatu perlakuan panas yang menggerakkan material melalui zona panas dengan kecepatan yang dikontrol secara tepat, menggabungkan banyak butiran mikroskopis material menjadi kristal Seragam yang lebih besar, lebih kuat, dan lebih tahan lama.
Para peneliti menggunakan rekristalisasi terarah dari superalloy cetak 3D, yang biasanya dicetak dan digunakan dalam turbin gas. Mereka menguji metode ini pada superalloy berbahan dasar nikel cetakan 3D berbentuk batang, yang direndam dalam penangas air bersuhu ruangan tepat di bawah koil induksi. Mereka perlahan-lahan menarik setiap batang keluar dari air dan mengendalikan kumparan dengan kecepatan berbeda, memanaskan batang secara tajam hingga suhu antara 1.200 dan 1.245 derajat Celcius.
Mereka menemukan bahwa menarik batang dengan kecepatan tertentu (2,5 mm/jam) dan suhu tertentu (1.235 derajat Celcius) menciptakan gradien termal curam yang memicu transformasi struktur mikro berbutir halus pada bahan yang dicetak.
“Bahan tersebut awalnya berupa partikel kecil dengan cacat yang disebut dislokasi, seperti spageti yang pecah,” jelas Cordero. "Saat Anda memanaskan material, cacat ini hilang dan terkonfigurasi ulang, dan butirannya tumbuh." Kami terus memanjangkan butiran dengan mengonsumsi bahan cacat dan butiran yang lebih kecil, sebuah proses yang disebut rekristalisasi.
Terakhir, pemeriksaan batang yang diberi perlakuan panas menggunakan mikroskop optik dan elektron memastikan bahwa butiran mikroskopis pada permukaan bagian logam cetakan 3D ditempatkan dalam butiran "kolom", sehingga meningkatkan sifat mulur secara signifikan. Dengan mengontrol kecepatan menggambar dan suhu sampel batang, partikel yang dicetak dapat mencapai ukuran dan orientasi tertentu. Tingkat kendali ini mungkin disambut baik oleh produsen turbin. Kemajuan ini tidak hanya menandai tonggak penting dalam ilmu material namun juga membuka jalan baru bagi inovasi di berbagai industri.