3D打印的“高溫合金”可以提高發(fā)電廠的效率

2023年6月19日，南極熊獲悉，一種被稱為超級(jí)合金的新型高性能金屬合金可以幫助發(fā)電廠、航空航天和汽車工業(yè)中使用的渦輪機(jī)提高效率。

這種超級(jí)合金是通過使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建的，它由六種元素的混合物組成。這些元素相互作用形成一種比傳統(tǒng)渦輪機(jī)械所使用的標(biāo)準(zhǔn)材料更輕、更堅(jiān)固的材料。這種強(qiáng)韌的高溫合金有望幫助工業(yè)降低成本和碳排放，前提是這種方法能夠成功地進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。

△MPES樣品在不同放大倍數(shù)下的竣工（A 和 B）和熱處理后（C 和 D）微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像

新合金研發(fā)技術(shù)背景

近年來，在材料科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)新金屬合金的研究持續(xù)升溫。一個(gè)多世紀(jì)以來，我們一直依賴于相對(duì)簡(jiǎn)單的合金，比如含有98%鐵的鋼，來構(gòu)建制造業(yè)和建筑業(yè)的基礎(chǔ)。然而，如今的挑戰(zhàn)要求更多：我們需要合金能夠在更高溫度下保持強(qiáng)度，承受壓力，同時(shí)又要輕量化。

長期以來，工程師們一直致力于優(yōu)化用于渦輪機(jī)的材料，這些渦輪機(jī)在發(fā)電廠中起著將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵作用。然而，即使是最先進(jìn)的材料，如鎳基和鈷基超級(jí)合金，在極高溫度下的暴露下也會(huì)出現(xiàn)退化和性能下降的問題。

這就是為什么在過去二十年里，科學(xué)家們一直在研究復(fù)雜合金的原因之一。這些合金由多達(dá)六種不同的金屬組成。通過精確調(diào)整構(gòu)成超級(jí)合金的元素比例，科學(xué)家們希望發(fā)現(xiàn)新的原子級(jí)相互作用，從而獲得有益的特性。然而，由于元素組合的比例幾乎是無限的，針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化這些合金是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

△該研究題目為“高溫下的極高硬度與輕質(zhì)的多元素超級(jí)合金的增材制造”（傳送門）

增材制造實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新多材料合金

一種有前途的方法是利用3D打印技術(shù)，它使研究人員能夠精確控制不同金屬的相對(duì)比例。這種方法使用強(qiáng)大的激光快速熔化金屬的固態(tài)粉末，并將其逐層沉積以實(shí)現(xiàn)精確的合金構(gòu)成。

由新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室Andrew Kustas領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)出一種高性能的六元素超級(jí)合金。該合金的成分包括42%的鋁、25%的鈦、13%的鈮、8%的鋯、8%的鉬和4%的鉭。這種合金具有堅(jiān)固、輕便和出色的耐熱性。

這些特性對(duì)于發(fā)電廠中使用的渦輪機(jī)尤為重要，因?yàn)闇u輪機(jī)在全球發(fā)電量中占據(jù)73%。事實(shí)上，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的氣體溫度越高，轉(zhuǎn)速越快，效率也越高。

△通過密度泛函理論計(jì)算，該研究揭示了與溫度無關(guān)的硬度以及形成多相結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)觀察結(jié)果提供了合理的解釋

當(dāng)加熱到800°C（1472°F）（發(fā)電廠渦輪機(jī)的常見溫度）時(shí)，這種超級(jí)合金比許多其他為類似目的設(shè)計(jì)的合金更堅(jiān)固、更輕。這一突破表明了超級(jí)合金在動(dòng)力渦輪機(jī)以外的潛在應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需要材料具備堅(jiān)固、輕便并能夠抵抗極端溫度變化。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，超級(jí)合金的性能與計(jì)算機(jī)模型生成的預(yù)測(cè)相關(guān)，該模型旨在預(yù)測(cè)元素的特定組合如何傳導(dǎo)熱能。這些預(yù)測(cè)結(jié)果表明，未來的計(jì)算機(jī)模型可能能夠幫助預(yù)測(cè)哪些元素組合可能會(huì)產(chǎn)生新的有用的超級(jí)合金。

為了將最近創(chuàng)造的超級(jí)合金引入主流制造，研究團(tuán)隊(duì)努力尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的方法來擴(kuò)大3D打印的規(guī)模，同時(shí)確保成品無微裂紋的問題，這在大規(guī)模生產(chǎn)中可能面臨挑戰(zhàn)。克服這些挑戰(zhàn)將有助于使我們?nèi)粘Ｊ褂玫膭?dòng)力機(jī)器變得更強(qiáng)大、更高效，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的影響。