提高渦輪機發(fā)電效率，科學家用六種元素3D打印開發(fā)出新的 "超級合金 "

導讀：本文介紹了一種新的高性能金屬合金，稱為超級合金，可以幫助提高發(fā)電廠、航空航天和汽車工業(yè)中使用的渦輪機的效率。

這種超級合金是用3D打印機制造的，由六種元素組成，它們共同構成了一種材料，比傳統(tǒng)渦輪機械中使用的標準材料更輕更強。如果這種方法能夠成功地擴大規(guī)模，這種強大的超級合金可以幫助行業(yè)降低成本和碳排放。

挑戰(zhàn)：在材料科學的世界里，對新金屬合金的探索近年來一直在升溫。一個多世紀以來，我們一直依賴相對簡單的合金，如由98%的鐵組成的鋼，來構成我們制造業(yè)和建筑業(yè)的支柱。但今天的挑戰(zhàn)要求更多：能夠承受更高的溫度，在壓力下保持強度，但仍然是輕質的合金。

工程師們長期以來一直試圖優(yōu)化渦輪機中使用的材料--發(fā)電廠中幫助將機械能轉換成電能的旋轉機械。但是，即使是最先進的材料，如鎳基和鈷基超合金，在暴露于極高的溫度下，也往往會退化，性能變差。

這就是為什么科學家們在過去二十年里一直在試驗復雜的合金，有些合金由多達六種不同的金屬組成的原因之一。通過調整組成超級合金的元素的確切比例，科學家們希望會出現(xiàn)新的原子級的相互作用，從而發(fā)現(xiàn)有益的特性。然而，由于不同比例的元素幾乎無限組合，為特定應用優(yōu)化這些合金是一個重大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新： 一個有希望的方法是使用3D打印技術。這種方法使研究人員能夠精確控制不同金屬的相對比例。他們通過使用強大的激光快速熔化固體粉末狀的金屬，然后將它們沉積在薄層中來實現(xiàn)這一目標。

桑迪亞國家實驗室的安德魯-庫斯塔斯領導的一個研究小組利用這種技術開發(fā)了一種高性能的六種元素超級合金。這種合金--由42%的鋁、25%的鈦、13%的鈮、8%的鋯、8%的鉬和4%的鉭組成--具有強度高、重量輕和難以置信的耐熱性。

這些特性對發(fā)電廠使用的渦輪機特別重要，這些渦輪機約占全球所有發(fā)電量的73%。畢竟，驅動渦輪機的氣體溫度越高，它們的旋轉速度就越快，效率就越高。

當加熱到800°C（1472°F）--發(fā)電廠渦輪機的一個常見溫度--這種超級合金仍然比許多其他材料更強、更輕。這一突破表明了在電力渦輪機之外的潛在應用，特別是在航空航天領域，這些材料需要堅固、輕質，并能抵抗極端的溫度變化。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種超級合金的性能與一個計算機模型產(chǎn)生的預測相關，模型旨在預測特定的元素組合將如何傳導熱能。這些預測表明，未來的計算機模型可能能夠幫助預測哪些元素的組合有可能產(chǎn)生新的和有用的超級合金。

為了將最近創(chuàng)造的超級合金帶入主流制造業(yè)，團隊希望找到一種方法來經(jīng)濟地擴大他們的3D打印工藝，同時確保成品不包含微觀規(guī)模的裂縫，這可能被證明難以在更大范圍內做到。克服這些挑戰(zhàn)可能有助于使為我們日常生活提供動力的機器變得更強大、更高效，并對環(huán)境造成更小的破壞。