Ricercatore ORNL, il team ha ricevuto la lode per l'avv

Laboratorio nazionale DOE/Oak Ridge

immagine: Dean Pierce di ORNL ha collaborato con Cummins per sviluppare e creare pistoni in acciaio 3Cr-XHTS, una lega di acciaio ad alta resistenza e a medio tenore di carbonio.vedere di più

Credito: ORNL, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

Dean Pierce dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia e un gruppo di ricerca guidato da Alex Plotkowski dell'ORNL sono stati premiati dall'Ufficio per le tecnologie dei veicoli del DOE per lo sviluppo di nuove leghe ad alte prestazioni in grado di resistere ad ambienti estremi.

Alla revisione annuale del merito delle tecnologie dei veicoli di quest'anno, tenutasi virtualmente il 12 giugno, VTO ha riconosciuto Pierce, uno scienziato del personale di ricerca e sviluppo presso la direzione delle scienze fisiche, e il gruppo di ricerca DuAlumin-3D guidato da Plotkowski.

VTO ​​ha onorato Pierce, membro del gruppo Alloy Behavior and Design di ORNL, con un premio Distinguished Achievement in riconoscimento della sua leadership nello sviluppo del nuovo acciaio Three Chromium-eXtreme High-Temperature Strength, o 3Cr-XHTS. La lega di acciaio è composta da cromo, che costituisce nominalmente il 3% della massa del materiale, come indicato nel nome, e altri elementi di lega.

Attraverso il programma VTO LightMAT, il team ORNL ha lavorato in stretta collaborazione con Cummins, partner dell’accordo di ricerca e sviluppo cooperativo, per sviluppare la lega di acciaio più durevole in meno di quattro anni.

"Abbiamo avuto un'ottima collaborazione con Cummins e lavorare con loro ci ha permesso di riunire le competenze uniche sia di ORNL che di Cummins per sviluppare 3Cr-XHTS", ha affermato Pierce. "Ero entusiasta per tutto il nostro team che, dopo quattro anni di duro lavoro e alcuni risultati entusiasmanti, siamo stati premiati."

L'acciaio 3Cr-XHTS è stato creato per l'uso in pistoni in grado di resistere a temperature elevate, sollecitazioni elevate e lunghi periodi di usura per i motori a combustione interna per carichi pesanti di prossima generazione, ad alta efficienza. L'attuale lega di acciaio all'avanguardia per pistoni di motori per carichi pesanti, l'acciaio 4140, è limitata ad applicazioni in cui le temperature di picco del metallo sono inferiori a 500 C, rendendo il materiale insufficiente per l'uso in futuri motori a temperature più elevate.

“Per l’applicazione sui pistoni, dovevamo progettare un acciaio che non solo fosse robusto e resistente all’ossidazione alle alte temperature, ma che dovesse anche condurre bene il calore. Uno degli scopi della conduzione del calore è mantenere la temperatura sulla superficie di combustione del pistone sufficientemente bassa in modo che il materiale non si rompa durante il funzionamento”, ha affermato Pierce. "Queste proprietà sono spesso in conflitto tra loro, il che significa che quando una proprietà viene migliorata, altre possono essere degradate e il nostro team doveva superare questa sfida di progettazione metallurgica."

Il nuovo acciaio ad alta resistenza e a medio tenore di carbonio è ottimizzato per una resistenza superiore alla fatica e all'ossidazione. Rispetto al 4140, l'acciaio 3Cr-XHTS ha dimostrato un aumento del 143% della resistenza alla fatica e un aumento di circa 75°C della temperatura operativa di fascia alta. L'acciaio ha inoltre dimostrato un miglioramento del 46% nella resistenza alla fatica ad alta temperatura e ciclo elevato rispetto all'acciaio per utensili H11, un'altra lega ad alta temperatura contenente cromo.

Utilizzando l'acciaio 3Cr-XHTS, i ricercatori hanno prodotto corone di pistoni a grandezza naturale, parti del motore che si trovano sulla superficie superiore dei pistoni ed esposte a gas ad alta temperatura e ad alta pressione durante la combustione. La nuova lega ha superato con successo il test più rigoroso del motore Cummins, un test di potenza di picco modificato di 500 ore, all'interno di un motore per carichi pesanti a sei cilindri da 15 litri.

Oltre alle vantaggiose proprietà del materiale, l'acciaio 3Cr-XHTS è conveniente e potrebbe potenzialmente sostituire gli acciai per utensili più costosi. La lega potrebbe avere applicazioni in vari sforzi di decarbonizzazione del settore automobilistico ed è compatibile con i carburanti a basse emissioni di carbonio che potrebbero essere adottati in futuro per i veicoli pesanti, come gas naturale, idrogeno, diesel sintetico, diesel rinnovabile e biocarburante.

All'annuale Merit Review, il gruppo di ricerca DuAlumin-3D dell'ORNL ha ricevuto un Team Award in riconoscimento dello sviluppo di DuAlumin-3D, una lega di alluminio leggera sviluppata nell'ambito del programma VTO Powertrain Materials Core in uno sforzo congiunto con il DOE Advanced Materials and Manufacturing Office, o AMMTO. Il lavoro è stato svolto in parte presso il Manufacturing Demonstration Facility dell'ORNL, sede del Consorzio MDF, un gruppo nazionale di collaboratori che lavora con il laboratorio per far avanzare lo stato dell'arte della tecnologia di produzione statunitense sotto la guida di AMMTO.