Han visar hur gasturbiner kan bli effektivare

Tänk en ”manual” för gasturbinproducenter som vill designa och tillverka mer hållbart, och samtidigt göra gasturbinerna effektivare. Det är ett av resultaten av doktor Olutayo Adegokes forskning. Han visar hur pulverbäddsbaserad additiv tillverkning kan användas för produktion av turbinblad med superlegeringen 247LC. På vägen gjorde han en oväntad upptäckt.

Gasturbiner används bland annat för att producera värme och el i kraftvärmeverk. I en gasturbin måste turbinbladen tåla extremt höga temperaturer. Då är superlegeringen 247LC ett utmärkt material att använda. Turbinblad tillverkas idag genom konventionell gjutning, men gasturbintillverkare ser stora fördelar med att istället använda pulverbäddsbaserad additiv tillverkning (LBPF) förutsatt att metoden blir tillförlitlig.

– Eftersom turbinblad har komplexa former lämpar sig tillverkningsmetoden LBPF mycket bättre än gjutning. Det är betydligt enklare att tillverka komplexa former i LBPF och det finns nästan inga begränsningar för hur man kan designa komponenterna, berättar Olutayo som disputerade den 16 december vid Högskolan Väst.

Lägre bränsleförbrukning och högre verkningsgrad

– I praktiken innebär det att turbinblad som tillverkats med LBPF klarar ännu högre temperaturer än turbinblad som gjutits. Det betyder att bränsleförbrukningen kan minskas vilket gör att verkningsgraden höjs. Detta genererar i sin tur lägre koldioxidutsläpp, vilket leder till mindre klimatpåverkan.

Han nämner ytterligare fyra fördelar med LBPF:

• väsentligt kortare ledtider i produktionen
• maximalt utnyttjande av materialet
• litet behov av efterbearbetning
• lämplig för reparation av komponenter.

Innan en ny tillverkningsmetod kan användas måste man säkerställa att det inte finns risk för sprickor och andra defekter i legeringen. En legering kan reagera på helt olika sätt vid olika tillverkningsmetoder. Olutayo har därför studerat hur legeringen 247LC påverkas vid pulverbäddbaserad additiv tillverkning in i minsta detalj, det vill säga hur materialets mikrostruktur och egenskaper påverkas av relationen mellan de parametrar som används i produktionsprocessen.

Han har bland annat tillverkat ett 30-tal kuber av legeringen 247LC där han testat olika kombinationer av parametrarna laserenergi, hastighet och överlapp mellan smältsträngar.

– Det handlar om att hitta den optimala kombinationen av parametrar där materialet är helt fritt från defekter och där man får exakt de egenskaper som efterfrågas.

Oväntad upptäckt

– En oväntad upptäckt under mitt forskningsarbete var att en liten mängd kisel som detekterades i anslutning till sprickor, ser ut att ha en viktig inverkan på sprickbildning. Eftersom kisel normalt inte ingår i legeringen 247LC pekar detta på hur viktigt det är att fullt ut kontrollera den kemiska sammansättningen av exempelvis legeringspulvret. Så genom att eliminera inblandning av kisel kan man troligtvis reducera risken för sprickor i materialet.

Olutayos forskningsresultat kan ge mycket värdefull vägledning för industrier som vill fortsätta arbetet med att utveckla och implementera tillverkningsmetoden för legering 247LC.

Olutayo hade arbetat fem år som utvecklingsingenjör på Siemens Industrial Turbomachinery när han 2017 valde att vidareutbilda sig till forskare vid Högskolan Väst. Nu väntar ett nytt uppdrag för honom på företagets R&D-avdelning i Finspång.

– Jag ska fortsätta utveckla material för additiv tillverkning för fler produktområden. Företagets verkstad för industriell additiv tillverkning i Finspång var den första i Sverige och de ligger långt framme internationellt sett inom additiv tillverkning av metallkomponenter.

Läs Olutayo Adegokes avhandling: Processability of Laser Powder Bed Fusion of Alloy 247LC. Influence of process parameters on microstructure and defects