3D打印的“超合金”可以使发电厂更高效

该材料比那些用于制造传统发电厂涡轮机的材料更强、更轻。

THE FUTURE — JULY 9, 2023

Sam Jarman

Credit: kinwun / Adobe Stock

关键要点

一个多世纪以来，我们已经依靠相对简单的合金，如由98%的铁组成的钢来形成我们制造业和建筑业的骨干。

但当今的挑战要求更高：能够承受更高的温度并在压力下仍然强又仍然轻重量的合金。 

一种新的“超合金”------由42% 的铝、25% 的钛、13% 的铌、8% 的锆、8% 的钼和 4% 的钽制成------是强、轻重量且令人难以置信的耐热。

一种新的叫超合金的高性能金属合金可以帮助提高发电厂、航空航天和汽车行业中用的涡轮机的效率。

被用3D打印机创造的超合金由六种元素的混合物组成，共同形成一种比传统涡轮机机械中用的标准材料更轻、更强的材料。强的超合金可以帮助行业降低成本和碳排放------如果这种方法能被成功扩大规模。

挑战：在材料科学领域，近年来对新金属合金的探索一直在升温。一个多世纪以来，我们已经依靠相对简单的合金如由98%的铁组成的钢来形成我们制造业和建筑业的骨干。但当今的挑战要求更高：能够承受更高的温度并在压力下仍然强又仍然是轻重量的合金。

长期以来，工程师们一直试图优化用在涡轮机中的材料 ------发电厂中帮助将机械能转化为电能的旋转机械。但甚至最先进的材料如镍基和钴基超合金，当暴露到极高温度时趋向降级并性能更糟。

这就是为什么科学家们在过去二十年里一直花费在试验复杂合金上之一，其中一些合金由多达六种不同的金属组成。通过调整构成一个超合金的元素的确切比例，科学家们希望新的原子尺度相互作用将发生，导致发现有益的特性。然而，用一种不同比例的元素组合几乎是无限的，为特定应用优化这些合金是一项重大挑战。

创新：一种承诺的方法是使用3D打印技术。这种方法允许研究人员来够精确控制不同金属的相对比例。他们通过以固体粉末形式用强大的激光快速熔化金属然后将它们沉积成薄层来取得这一点。

由新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的安德鲁·库斯塔斯（Andrew Kustas）领导的一组研究人员利用这种技术来开发一种高性能的六元素超合金。该合金由 42% 铝、25% 钛、13% 铌、8% 锆、8% 钼和 4% 钽制成，是强、轻重量且耐热性令人难以置信。

这些特性对于发电厂用于发电厂的涡轮机尤其重要，这约占全球所有发电量的73%。毕竟，驱动涡轮机的气体的温度越高，它们旋转得越快，它们变得效率越高。

当加热到800°C（1472°F）时------一个发电厂涡轮机的常见温度------这种超合金仍然比许多其他为类似目的设计的合金更强、更轻。这一突破提示动力涡轮机以外的潜在应用，特别是在航空航天领域，其中材料需要是强、轻重量且能够抵抗极端温度变化。

研究人员还发现超合金的性能与从计算机模型生成的被设计来预测特定元素组合如何传导热能的预测共相关。这些预测提示未来的计算机模型可能能够帮助预测哪些元素组合可能会造成新的和有用的超合金。

为了将最近创造的超合金带入主流制造，该团队希望找到一种来经济地扩大他们的3D打印工艺的方法，同时确保成品不包含微尺度裂纹，这可能在更大规模上很难做到的。克服这些挑战可以帮助使我们日常生活的机器更强大、更高效，对环境的破坏更小。

本文article最初发表在我们的姊妹网站Freethink.

https://bigthink.com/the-future/new-superalloy-power-plants-efficient/