Investigador de ORNL, el equipo recibió honores por su avance

DOE/Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Imagen: Dean Pierce de ORNL colaboró ​​con Cummins para desarrollar y crear pistones de acero 3Cr-XHTS, una aleación de acero de carbono medio de alta resistencia.ver más

Crédito: ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

Dean Pierce del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y un equipo de investigación dirigido por Alex Plotkowski de ORNL fueron honrados por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE por el desarrollo de nuevas aleaciones de alto rendimiento que pueden soportar ambientes extremos.

En la Revisión Anual de Méritos de Vehicle Technologies de este año, celebrada virtualmente el 12 de junio, VTO reconoció a Pierce, un científico del personal de I+D de la Dirección de Ciencias Físicas, y al equipo de investigación DuAlumin-3D dirigido por Plotkowski.

VTO ​​honró a Pierce, miembro del grupo de diseño y comportamiento de aleaciones de ORNL, con un premio al Logro Distinguido en reconocimiento a su liderazgo en el desarrollo del nuevo acero Three Chromium-eXtreme High-Temperature Strength, o 3Cr-XHTS. La aleación de acero está hecha de cromo, que constituye nominalmente el 3% de la masa del material, como lo refleja su nombre, y otros elementos de aleación.

A través del programa VTO LightMAT, el equipo de ORNL trabajó en estrecha colaboración con Cummins, socio del Acuerdo Cooperativo de Investigación y Desarrollo, para desarrollar la aleación de acero más duradera en menos de cuatro años.

"Hemos tenido una gran colaboración con Cummins y trabajar con ellos nos ha permitido reunir la experiencia única de ORNL y Cummins para desarrollar 3Cr-XHTS", dijo Pierce. "Me emocioné por todo nuestro equipo porque, después de cuatro años de arduo trabajo y algunos resultados emocionantes, fuimos reconocidos".

El acero 3Cr-XHTS fue creado para su uso en pistones capaces de soportar altas temperaturas, altos esfuerzos y largos períodos de desgaste para motores de combustión interna de servicio pesado, de mayor eficiencia y de próxima generación. La actual aleación de acero de última generación para pistones de motores de servicio pesado, el acero 4140, se limita a aplicaciones en las que las temperaturas máximas del metal son inferiores a 500 C, lo que hace que el material sea insuficiente para su uso en futuros motores de mayor temperatura.

“Para la aplicación del pistón, necesitábamos diseñar un acero que no sólo fuera fuerte y resistente a la oxidación a altas temperaturas, sino que también condujera bien el calor. Uno de los propósitos de la conducción de calor es mantener la temperatura en la superficie de combustión del pistón lo suficientemente baja para que el material no falle durante la operación”, dijo Pierce. "Estas propiedades a menudo entran en conflicto entre sí, lo que significa que cuando se mejora una propiedad, otras pueden degradarse, y nuestro equipo necesitaba superar este desafío de diseño metalúrgico".

El nuevo acero de carbono medio de alta resistencia está optimizado para una resistencia superior a la fatiga y la oxidación. En comparación con el 4140, el acero 3Cr-XHTS demostró un aumento del 143 % en la resistencia a la fatiga y un aumento de aproximadamente 75 C en la temperatura de funcionamiento de alta gama. El acero también demostró una mejora del 46% en la resistencia a la fatiga a altas temperaturas y ciclos altos en comparación con el acero para herramientas H11, otra aleación de alta temperatura que contiene cromo.

Utilizando acero 3Cr-XHTS, los investigadores fabricaron coronas de pistón de tamaño completo, piezas de motor que están ubicadas en la superficie superior de los pistones y expuestas a gases de alta temperatura y alta presión durante la combustión. La nueva aleación pasó con éxito la prueba de motor más rigurosa de Cummins, una prueba de potencia máxima modificada de 500 horas, dentro de un motor de servicio pesado de seis cilindros y 15 litros.

Además de las ventajosas propiedades del material del acero, el acero 3Cr-XHTS es asequible y potencialmente puede ser un sustituto de los aceros para herramientas de mayor costo. La aleación podría tener aplicaciones en diversos esfuerzos de descarbonización del sector automovilístico y es compatible con combustibles bajos en carbono que podrían adoptarse para vehículos pesados ​​en el futuro, como el gas natural, el hidrógeno, el diésel sintético, el diésel renovable y el biocombustible.

En la Revisión Anual de Méritos, el equipo de investigación de DuAlumin-3D de ORNL recibió un Premio de Equipo que reconoce su desarrollo de DuAlumin-3D, una aleación de aluminio liviana desarrollada bajo el Programa central de materiales de tren motriz de VTO en un esfuerzo conjunto con la Oficina de fabricación y materiales avanzados del DOE, o AMTO. El trabajo se realizó en parte en las instalaciones de demostración de fabricación de ORNL, sede del Consorcio MDF, un grupo nacional de colaboradores que trabajan con el laboratorio para avanzar en los últimos avances de la tecnología de fabricación de EE. UU. bajo la dirección de AMMTO.

El equipo comenzó a desarrollar la aleación en respuesta a la necesidad de aleaciones de aluminio ligeras y resistentes que pudieran usarse en la fabricación aditiva o la impresión 3D.

"Las aleaciones de aluminio eran un espacio problemático realmente interesante para nosotros", afirmó Plotkowski, miembro superior del personal de I+D e investigador principal del proyecto. "El principal desafío es que las aleaciones de aluminio forjado convencionales, las que más utilizamos en todo el mundo y las que tienen las propiedades más atractivas, son difíciles de procesar mediante fabricación aditiva".

DuAlumin-3D supera este obstáculo y otros problemas del material con su extraordinaria resistencia a la fatiga y a la fluencia; de hecho, la mejor resistencia a la fluencia de cualquier aleación de aluminio conocida a 300 C y más. El material imprimible fue diseñado para su uso en la fabricación aditiva de lechos de polvo láser y puede soportar las condiciones térmicas extremas de la AM. La aleación conserva más de la mitad de su resistencia a temperaturas de 300 a 315 C, con estabilidad microestructural hasta 400 C.

DuAlumin-3D toma su nombre de sus mecanismos de refuerzo duales, posibles gracias a las características de solidificación rápida de la impresión láser 3D combinadas con un breve tratamiento térmico.

En menos de tres años, la tecnología evolucionó desde un concepto hasta su estado actual como material viable para prototipos y productos fabricados aditivamente.

"Era necesario colaborar para que este proyecto se hiciera realidad", dijo Plotkowski. “Es, en mi opinión, un ejemplo del tipo de cosa única que ORNL puede hacer y que pocas organizaciones en el mundo pueden hacer porque estamos reuniendo este conjunto diverso de habilidades. Podemos atraer fácilmente a personas de toda la organización para que contribuyan”.

Utilizando DuAlumin-3D, los investigadores ya han impreso pistones que completaron con éxito una severa demostración de prueba de motor de cuatro cilindros en ORNL en enero. El equipo también está trabajando junto con socios comerciales, incluidos General Motors y Honda Performance Development, para desarrollar aún más la aleación para su uso en componentes específicos de vehículos. GM tiene previsto probar un conjunto de pistones impresos con la aleación en un nuevo motor V8 de camión de servicio mediano, liviano y de alta eficiencia.

DuAlumin-3D también podría ser aplicable en el sector aeroespacial, dijo Plotkowski, donde un material liviano como la nueva aleación podría reemplazar las piezas de titanio para reducir significativamente el peso de un avión y mejorar la eficiencia energética.

El equipo de ORNL, junto con sus colaboradores General Motors y Beehive Industries, también recibió el premio R&D 100 2022 por DuAlumin-3D.

Otros miembros del equipo honrados incluyen a Amit Shyam, Ryan Dehoff, J. Allen Haynes, Larry F. Allard, Sumit Bahl, Ying Yang, Jon Poplawsky, Bill Peter, Derek Splitter y Jiheon Jun de ORNL; Richard Michi de Owens Corning, anteriormente de ORNL; y la Universidad de Tennessee, Kevin Sisco de Knoxville.

UT-Battelle administra el Laboratorio Nacional Oak Ridge para la Oficina de Ciencias del DOE, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias del DOE está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite https://energy.gov/science. — Alexandra DeMarco

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