«Суперсплав», изготовленный на 3D-принтере, может сократить выбросы электростанций

Изображение предоставлено: Крейг Фриц, Национальные лаборатории Сандии.

Автор: редакция E&T

Опубликовано понедельник, 20 февраля 2023 г.

Новый «суперсплав», напечатанный на 3D-принтере, может помочь электростанциям производить больше электроэнергии, производя при этом меньше углерода.

Группа ученых из Национальной лаборатории Сандия, Национальной лаборатории Эймса, Университета штата Айова и корпорации Bruker, находящихся в США, использовала 3D-принтер для создания высокопроизводительного металлического сплава или суперсплава с необычным составом, который делает его более прочным. и легче, чем современные материалы, используемые в настоящее время в газотурбинном оборудовании.

Результаты могут иметь широкое влияние на энергетический сектор, а также на аэрокосмическую и автомобильную промышленность и указать на новый класс подобных сплавов, которые еще предстоит открыть.

«Мы показываем, что этот материал может обеспечить ранее недостижимое сочетание высокой прочности, малого веса и устойчивости к высоким температурам», — сказал ученый из Sandia Эндрю Кустас. «Мы считаем, что отчасти мы добились этого благодаря подходу аддитивного производства».

И ископаемое топливо, и атомные электростанции используют тепло для вращения турбин, вырабатывающих электроэнергию. Но эффективность электростанции ограничена тем, насколько горячими могут оказаться металлические детали турбины.

Изображение предоставлено: Крейг Фриц, Национальные лаборатории Сандии.

Если турбины смогут работать при более высоких температурах, то больше энергии можно будет преобразовать в электричество, одновременно уменьшив количество отходящего тепла, выбрасываемого в окружающую среду.

Новый суперсплав, состоящий из 42 процентов алюминия, 25 процентов титана, 13 процентов ниобия, 8 процентов циркония, 8 процентов молибдена и 4 процентов тантала, оказался прочнее при 800°C, чем многие другие высокопроизводительные сплавы. сплавы, в том числе те, которые в настоящее время используются в деталях турбин, и стали еще прочнее, когда их снова опустили до комнатной температуры.

«Поэтому это беспроигрышный вариант для более экономичной энергетики и окружающей среды», — сказал Сал Родригес, инженер-ядерщик из Сандии, который не участвовал в исследовании.

Исследователи аэрокосмической отрасли, ищущие легкие материалы, которые сохраняют прочность при высоких температурах, также могут извлечь выгоду из суперсплава.

3D-печать уже широко используется как универсальный и энергоэффективный метод производства. Он использует мощный лазер для мгновенного плавления материала, обычно пластика или металла, который затем наносится слоями для создания объекта, поскольку расплавленный материал быстро охлаждается и затвердевает.

Исследователи перепрофилировали эту технологию как быстрый и эффективный способ создания новых сплавов, используя 3D-принтер для плавления порошкообразных металлов и немедленного получения его образца.

«У нас есть много примеров того, как мы объединили два или три элемента, чтобы получить полезный конструкционный сплав», — сказал Куста. «Теперь мы начинаем переходить к четырем, пяти или даже большему числу в рамках одного материала. И именно тогда это действительно становится интересным и сложным с точки зрения материаловедения и металлургии».

В дальнейшем команда заинтересована в изучении того, могут ли передовые методы компьютерного моделирования помочь исследователям открыть больше представителей того, что может стать новым классом высокопроизводительных суперсплавов, производимых с помощью аддитивного производства.

«Это чрезвычайно сложные смеси», — сказал ученый из Сандии Майкл Чандросс, который не принимал непосредственного участия в исследовании. «Все эти металлы взаимодействуют на микроскопическом – даже атомном – уровне, и именно эти взаимодействия действительно определяют, насколько прочен металл, насколько он податлив, какова будет его температура плавления и так далее.

«Наша модель избавляет металлургов от многих догадок, потому что она может все это рассчитать и позволяет нам прогнозировать характеристики нового материала до того, как мы его изготовим».

Подпишитесь на рассылку новостей E&T News, чтобы каждый день получать на свой почтовый ящик такие замечательные истории.

Англия, Беркшир / Беркшир, Англия, Ридинг

44 990–67 400 фунтов стерлингов в год