提高渦輪機(jī)發(fā)電效率，科學(xué)家用六種元素3D打印開發(fā)出新的

本文介紹了一種新的高性能金屬合金，稱為超級(jí)合金，可以幫助提高發(fā)電廠、航空航天和汽車工業(yè)中使用的渦輪機(jī)的效率。

這種超級(jí)合金是用3D打印機(jī)制造的，由六種元素組成，它們共同構(gòu)成了一種材料，比傳統(tǒng)渦輪機(jī)械中使用的標(biāo)準(zhǔn)材料更輕更強(qiáng)。如果這種方法能夠成功地?cái)U(kuò)大規(guī)模，這種強(qiáng)大的超級(jí)合金可以幫助行業(yè)降低成本和碳排放。

挑戰(zhàn)：在材料科學(xué)的世界里，對(duì)新金屬合金的探索近年來一直在升溫。一個(gè)多世紀(jì)以來，我們一直依賴相對(duì)簡(jiǎn)單的合金，如由98%的鐵組成的鋼，來構(gòu)成我們制造業(yè)和建筑業(yè)的支柱。但今天的挑戰(zhàn)要求更多：能夠承受更高的溫度，在壓力下保持強(qiáng)度，但仍然是輕質(zhì)的合金。

工程師們長(zhǎng)期以來一直試圖優(yōu)化渦輪機(jī)中使用的材料--發(fā)電廠中幫助將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。但是，即使是最先進(jìn)的材料，如鎳基和鈷基超合金，在暴露于極高的溫度下，也往往會(huì)退化，性能變差。

這就是為什么科學(xué)家們?cè)谶^去二十年里一直在試驗(yàn)復(fù)雜的合金，有些合金由多達(dá)六種不同的金屬組成的原因之一。通過調(diào)整組成超級(jí)合金的元素的確切比例，科學(xué)家們希望會(huì)出現(xiàn)新的原子級(jí)的相互作用，從而發(fā)現(xiàn)有益的特性。然而，由于不同比例的元素幾乎無限組合，為特定應(yīng)用優(yōu)化這些合金是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新： 一個(gè)有希望的方法是使用3D打印技術(shù)。這種方法使研究人員能夠精確控制不同金屬的相對(duì)比例。他們通過使用強(qiáng)大的激光快速熔化固體粉末狀的金屬，然后將它們沉積在薄層中來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的安德魯-庫斯塔斯領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組利用這種技術(shù)開發(fā)了一種高性能的六種元素超級(jí)合金。這種合金--由42%的鋁、25%的鈦、13%的鈮、8%的鋯、8%的鉬和4%的鉭組成--具有強(qiáng)度高、重量輕和難以置信的耐熱性。

這些特性對(duì)發(fā)電廠使用的渦輪機(jī)特別重要，這些渦輪機(jī)約占全球所有發(fā)電量的73%。畢竟，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的氣體溫度越高，它們的旋轉(zhuǎn)速度就越快，效率就越高。

當(dāng)加熱到800°C（1472°F）--發(fā)電廠渦輪機(jī)的一個(gè)常見溫度--這種超級(jí)合金仍然比許多其他材料更強(qiáng)、更輕。這一突破表明了在電力渦輪機(jī)之外的潛在應(yīng)用，特別是在航空航天領(lǐng)域，這些材料需要堅(jiān)固、輕質(zhì)，并能抵抗極端的溫度變化。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種超級(jí)合金的性能與一個(gè)計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生的預(yù)測(cè)相關(guān)，模型旨在預(yù)測(cè)特定的元素組合將如何傳導(dǎo)熱能。這些預(yù)測(cè)表明，未來的計(jì)算機(jī)模型可能能夠幫助預(yù)測(cè)哪些元素的組合有可能產(chǎn)生新的和有用的超級(jí)合金。

為了將最近創(chuàng)造的超級(jí)合金帶入主流制造業(yè)，團(tuán)隊(duì)希望找到一種方法來經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)大他們的3D打印工藝，同時(shí)確保成品不包含微觀規(guī)模的裂縫，這可能被證明難以在更大范圍內(nèi)做到?？朔@些挑戰(zhàn)可能有助于使為我們?nèi)粘Ｉ钐峁﹦?dòng)力的機(jī)器變得更強(qiáng)大、更高效，并對(duì)環(huán)境造成更小的破壞。