新型高温合金可以减少发电厂的碳排放

随着世界寻找减少温室气体排放的方法，桑迪亚国家实验室的研究人员表明，一种新型 3D 打印超级合金可以帮助发电厂产生更多电力，同时产生更少的碳。

桑迪亚的科学家与艾姆斯国家实验室、爱荷华州立大学和布鲁克公司的研究人员合作，使用 3D 打印机制造了一种高性能金属合金或超级合金，其具有不寻常的成分，使其比状态更坚固、更轻目前用于燃气轮机机械的最先进材料。这些发现可能对能源行业以及航空航天和汽车行业产生广泛影响，并暗示了一类新的类似合金有待发现。

“我们正在证明这种材料可以获得以前无法获得的高强度、低重量和高温弹性的组合，”桑迪亚科学家安德鲁库斯塔斯说。“我们认为我们实现这一目标的部分原因是增材制造方法。”

该小组在《今日应用材料》杂志上发表了他们的发现 。

材料耐高温，对发电厂涡轮机至关重要

根据能源情报署的数据，约 80% 的电力来自化石燃料或核电站 。这两种类型的设施都 依靠热量 来驱动涡轮机发电。发电厂的效率受到热金属涡轮机零件的获取方式的限制。如果涡轮机可以在更高的温度下运行，“那么更多的能量可以转化为电能，同时减少释放到环境中的废热量，”桑迪亚核工程师萨尔罗德里格斯说，他没有参与这项研究。

Sandia 的实验表明，这种新型超级合金——42% 的铝、25% 的钛、13% 的铌、8% 的锆、8% 的钼和 4% 的钽——在 800 摄氏度(1,472 华氏度)下比许多其他高性能合金更坚固，包括目前用于涡轮部件的那些，当它回到室温时仍然更强。

“因此，这对于更经济的能源和环境来说是双赢的，”罗德里格斯说。

能源并不是唯一可以从这些发现中受益的行业。航空航天研究人员正在寻找在高温下保持坚固的轻质材料。此外，艾姆斯实验室科学家 Nic Argibay 表示，艾姆斯和桑迪亚正在与行业合作，探索如何将这种合金用于汽车行业。

“由 Ames 实验室领导的电子结构理论能够提供对这些有用特性的原子起源的理解，我们现在正在优化这种新型合金以应对制造和可扩展性挑战，”Argibay 说。

能源部和桑迪亚的实验室指导研究与开发 计划资助了这项研究。

发现凸显了材料科学的变化

增材制造，也称为 3D 打印，被称为一种多功能且节能的制造方法。一种常见的印刷技术使用高功率激光来闪光熔化材料，通常是塑料或金属。然后，打印机将这种材料分层沉积，随着熔化材料迅速冷却并凝固，构建出一个物体。

但这项新研究表明，该技术还可以重新用作一种快速、高效的新材料制造方法。Sandia 团队成员使用 3D 打印机将金属粉末快速熔化在一起，然后立即打印出样品。

Sandia 的创造也代表了合金开发的根本转变，因为没有一种金属占材料的一半以上。相比之下，钢大约 98% 是铁和碳以及其他元素的结合。

“铁和一小撮碳改变了世界，”库斯塔斯说。“我们有很多例子可以说明我们将两种或三种元素组合在一起来制造有用的工程合金。现在，我们开始在一种材料中使用四、五种或更多。从材料科学和冶金学的角度来看，这才是真正开始变得有趣和具有挑战性的时候。”

可扩展性、成本是需要克服的挑战

展望未来，该团队有兴趣探索先进的计算机建模技术是否可以帮助研究人员发现更多可能成为新型高性能增材制造超级合金的成员。

“这些是极其复杂的混合物，”桑迪亚科学家迈克尔钱德罗斯说，他是原子级计算机建模专家，没有直接参与这项研究。“所有这些金属都在微观——甚至是原子——层面相互作用，正是这些相互作用真正决定了金属的强度、延展性、熔点等等。我们的模型消除了冶金学中的大量猜测，因为它可以计算所有这些，并使我们能够在制造新材料之前预测其性能。”

库斯塔斯说，未来还有挑战。一方面，可能很难在没有微观裂纹的情况下大批量生产新型超级合金，这是增材制造中的普遍挑战。他还说合金中使用的材料很昂贵。因此，这种合金可能不适用于以降低成本为首要考虑的消费品。

“考虑到所有这些警告，如果这是可扩展的并且我们可以从中制造出大部分，那么它就是一个游戏规则的改变者，”Kustas 说。

桑迪亚国家实验室是一个多任务实验室，由桑迪亚有限责任公司的国家技术和工程解决方案运营，桑迪亚有限责任公司是霍尼韦尔国际公司的全资子公司，为能源部国家核安全管理局服务。桑迪亚实验室在核威慑、全球安全、国防、能源技术和经济竞争力方面负有主要研发责任，主要设施位于新墨西哥州的阿尔伯克基和加利福尼亚州的利弗莫尔。