Embedding sensors into nickel alloy component using additive manufacturing process

Abstract

This thesis investigates the use of laser-based powder bed fusion to embed temperature measurement devices. An engine component experiences three temperature peaks per second. The component has a temperature sensor embedded in it which cannot sense such rapid temperature variations. The current measurement solution is capable of measuring the average temperature of 600 °C but the suspected peaks are damped by the amount of material between the sensor and the hot space.

The material was Inconel 718 nickel super alloy. The chosen temperature measurement methods were: thermocouples, fiber Bragg gratings, and laser induced phosphorescence.

Thermocouples and a sapphire window were successfully embedded to dummy pieces. The fiber Bragg grating measurement method was disqualified due to lack of supporting equipment and high financial cost. Laser induced phosphorescence was limited to creating an optical access with a sapphire window.

An optical access was created by the embedded sapphire window. The window showed no signs of damage after embedding. The thermocouples were tested after embedding and showed no signs of damage. Thermal responsivity testing was done for the thermocouples in a laser heated testing rig, which provided inconclusive results.

It was found that sapphire windows and thermocouples are suitable for embedding with laser-based powder bed fusion without other processes to complete embedding.

Tässä työssä tutkitaan laserjauhepetimenetelmän käyttöä lämpötilanmittausmenetelmien integroinnissa. Moottorikomponentti kokee kolme lämpötilapiikkiä sekunnissa. Komponenttiin on sijoitettu lämpötilasensori, joka ei kykene havaitsemaan nopeita lämpötilapiikkejä. Nykyisen lämpötilamittaustapa kykenee havaitsemaan lämpötilan 600 °C keskiarvon, mutta arveltujen piikkien lämpötilamuutoksen havaitsemisen estää liiallinen materiaali sensorin ja kuuman tilan välissä.

Materiaalina käytettiin Inconel 718 nikkelisuperseosta. Lämpötilamittausmenetelminä käytettiin termopareja, Braggsin säleikköä kuidussa, ja laser indusoitua fosforesenssia.

Testikappaleisiin integroitiin termopareja ja safiiri-ikkuna. Braggsin säleikköä kuidussa ei käytetty, korkean hinnan ja tarvittavan laitteiston saatavuuden vuoksi. Laser indusoitu fosforesenssi rajoitettiin optisen yhteyden luomiseen safiiri-ikkunalla.

Optinen yhteys luotiin integroimalla safiiri-ikkuna kappaleeseen. Ikkunassa ei havaittu vahinkoja integroimisen jälkeen. Termoparit testattiin integroimisen jälkeen ja vahinkoja ei havaittu. Integroitujen termoparien reaktiivisuustesti suoritettiin laserlämmitetyssä testaus rikissä. Testaustulokset eivät johtaneet yksiselitteisiin tuloksiin.

Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että safiiri-ikkuna ja termoparit soveltuvat integrointiin laserjauhepetimenetelmällä ilman muiden valmistusmenetelmien käyttöä integroinnin loppuun suorittamiseksi.