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已经证明，一种新的3D打印高温合金可以帮助发电厂产生更多的电力，同时产生更少的碳。

桑迪亚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(高温合金)，其成分不寻常，使其比目前用于燃气轮机机械的最先进材料更坚固，更轻。这些发现可能会对能源部门以及航空航天和汽车行业产生广泛影响，并暗示着一类新的类似合金等待被发现。

“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Andrew Kustas说。“我们认为我们实现这一目标的部分原因是因为增材制造方法。

该团队在《今日应用材料》杂志上发表了他们的研究结果。

材料可承受高温，对发电厂涡轮机至关重要

根据美国能源情报署的数据，美国约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转动发电的涡轮机。发电厂的效率受到铁水涡轮机部件如何获得的限制。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。

桑迪亚的实验表明，新的高温合金 - 42%铝，25%钛，13%铌，8%锆，8%钼和4%钽 - 在800摄氏度(1，472华氏度)下比许多其他高性能合金更强，包括目前用于涡轮机零件的合金，当它回到室温时仍然更坚固。

“因此，对于更经济的能源和环境来说，这是双赢的，”罗德里格斯说。

能源并不是唯一可以从调查结果中受益的行业。航空航天研究人员寻求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，Ames和Sandia正在与行业合作，探索如何将这种合金用于汽车行业。

“由艾姆斯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。

发现凸显材料科学的变化

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。一种常见的打印技术使用高功率激光快速熔化材料，通常是塑料或金属。然后，打印机将该材料分层沉积，随着熔融材料迅速冷却和凝固而构建一个物体。

但这项新研究表明，这项技术也可以被重新利用为一种快速、有效的方法来制作新材料。桑迪亚团队成员使用3D打印机快速将粉末金属熔化在一起，然后立即打印混合物样品。

桑迪亚的创造也代表了合金发展的根本转变，因为没有一种金属占材料的一半以上。相比之下，钢中约98%的铁与碳以及其他元素相结合。

“铁和一小撮碳改变了世界，”安德鲁说。“我们有很多例子，说明我们将两种或三种元素结合起来制造有用的工程合金。现在，我们开始在一种材料中进入四到五个或更多。从材料科学和冶金的角度来看，它才真正开始变得有趣和具有挑战性。

可扩展性和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是新型高性能，增材制造前向高温合金的成员。

“这些是极其复杂的混合物，”桑迪亚科学家迈克尔·钱德罗斯(Michael Chandross)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原子水平上相互作用，正是这些相互作用真正决定了金属的强度，延展性，熔点如何等等。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。

安德鲁说，未来还有挑战。首先，在没有微观裂纹的情况下，可能很难大量生产新的高温合金，这是增材制造中的一个普遍挑战。他还说，进入合金的材料很昂贵。因此，该合金可能不适合用于以降低成本为主要关注点的消费品。

“有了所有这些警告，如果这是可扩展的，我们可以从中制造出大部分，这将改变游戏规则，”安德鲁说。