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)中使用的渦輪機提高效率。

這種超級合金是通過使用3D打印技術創(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)渦輪機械所使用的標準材料更輕、更堅固的材料,。這種強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行規(guī)模化生產,。

△MPES樣品在不同放大倍數下的竣工（A 和 B）和熱處理后（C 和 D）微觀結構的SEM圖像

新合金研發(fā)技術背景

近年來,，在材料科學領域，對新金屬合金的研究持續(xù)升溫,。一個多世紀以來,，我們一直依賴于相對簡單的合金，比如含有98%鐵的鋼,，來構建制造業(yè)和建筑業(yè)的基礎,。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度，承受壓力,，同時又要輕量化,。

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

這就是為什么在過去二十年里,，科學家們一直在研究復雜合金的原因之一,。這些合金由多達六種不同的金屬組成。通過精確調整構成超級合金的元素比例,，科學家們希望發(fā)現新的原子級相互作用,，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,，針對特定應用優(yōu)化這些合金是一個巨大的挑戰(zhàn)。

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

增材制造實現創(chuàng)新多材料合金

一種有前途的方法是利用3D打印技術,，它使研究人員能夠精確控制不同金屬的相對比例,。這種方法使用強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現精確的合金構成,。

由新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實驗室Andrew Kustas領導的研究團隊，利用這項技術開發(fā)出一種高性能的六元素超級合金,。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。這種合金具有堅固,、輕便和出色的耐熱性,。

這些特性對于發(fā)電廠中使用的渦輪機尤為重要，因為渦輪機在全球發(fā)電量中占據73%,。事實上,，驅動渦輪機的氣體溫度越高，轉速越快,，效率也越高,。

△通過密度泛函理論計算，該研究揭示了與溫度無關的硬度以及形成多相結構的熱力學優(yōu)勢,，從而對觀察結果提供了合理的解釋

當加熱到800°C（1472°F）（發(fā)電廠渦輪機的常見溫度）時,，這種超級合金比許多其他為類似目的設計的合金更堅固,、更輕。這一突破表明了超級合金在動力渦輪機以外的潛在應用,，尤其在航空航天領域,，這些領域需要材料具備堅固、輕便并能夠抵抗極端溫度變化,。

研究人員還發(fā)現,，超級合金的性能與計算機模型生成的預測相關，該模型旨在預測元素的特定組合如何傳導熱能,。這些預測結果表明,，未來的計算機模型可能能夠幫助預測哪些元素組合可能會產生新的有用的超級合金。

為了將最近創(chuàng)造的超級合金引入主流制造,，研究團隊努力尋找一種經濟有效的方法來擴大3D打印的規(guī)模,，同時確保成品無微裂紋的問題，這在大規(guī)模生產中可能面臨挑戰(zhàn),�,？朔�這些挑戰(zhàn)將有助于使我們日常使用的動力機器變得更強大、更高效,，同時減少對環(huán)境的影響,。