3D

Новый высокопроизводительный металлический сплав, называемый суперсплавом, может помочь повысить эффективность турбин, используемых на электростанциях, в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Созданный с помощью 3D-принтера суперсплав состоит из смеси шести элементов, которые в совокупности образуют материал, который легче и прочнее стандартных материалов, используемых в обычном турбинном оборудовании. Прочный суперсплав может помочь отраслям сократить как затраты, так и выбросы углекислого газа — если этот подход удастся успешно расширить.

Соревнование: В мире материаловедения в последние годы активизируется поиск новых металлических сплавов. На протяжении более столетия мы полагались на относительно простые сплавы, такие как сталь, состоящая на 98% из железа, которые составляли основу нашей обрабатывающей и строительной промышленности. Но сегодняшние задачи требуют большего: сплавов, которые могут выдерживать более высокие температуры и оставаться прочными под нагрузками, но при этом оставаться легкими.

Инженеры уже давно пытаются оптимизировать материалы, используемые в турбинах — вращающихся механизмах на электростанциях, которые помогают преобразовывать механическую энергию в электричество. Но даже самые современные материалы, такие как суперсплавы на основе никеля и кобальта, имеют тенденцию разрушаться и ухудшать свои характеристики под воздействием чрезвычайно высоких температур.

Это одна из причин, почему ученые провели последние два десятилетия, экспериментируя со сложными сплавами, некоторые из которых состоят из шести различных металлов. Изменяя точные пропорции элементов, входящих в состав суперсплава, ученые надеются, что возникнут новые взаимодействия на атомном уровне, которые приведут к открытию полезных свойств. Однако из-за почти бесконечного сочетания элементов в разных пропорциях оптимизация этих сплавов для конкретных применений представляет собой серьезную проблему.

Инновация : Одним из перспективных подходов является использование технологии 3D-печати. Этот метод позволяет исследователям точно контролировать относительные пропорции различных металлов. Они достигают этого, быстро плавя металлы в твердой порошкообразной форме с помощью мощного лазера, а затем нанося их тонкими слоями.

Группа исследователей под руководством Эндрю Кустаса из Национальной лаборатории Сандия в Альбукерке, штат Нью-Мексико, использовала этот метод для разработки высокоэффективного шестиэлементного суперсплава. Сплав, состоящий из 42% алюминия, 25% титана, 13% ниобия, 8% циркония, 8% молибдена и 4% тантала, прочный, легкий и невероятно термостойкий.

Эти характеристики особенно важны для турбин, используемых на электростанциях, на которые приходится около 73% всей выработки электроэнергии в мире. В конце концов, чем выше температура газа, приводящего в движение турбины, тем быстрее они вращаются и тем эффективнее становятся.

При нагреве до 800°C (1472°F) — обычной температуры для турбин электростанций — этот суперсплав оставался прочнее и легче, чем многие другие, разработанные для аналогичной цели. Этот прорыв предполагает потенциальное применение, помимо энергетических турбин, особенно в аэрокосмической отрасли, где материалы должны быть прочными, легкими и устойчивыми к экстремальным изменениям температуры.

Исследователи также обнаружили, что характеристики суперсплава коррелируют с прогнозами, полученными на основе компьютерной модели, которая была разработана для прогнозирования того, как определенные комбинации элементов будут проводить тепловую энергию. Эти прогнозы предполагают, что будущие компьютерные модели смогут помочь предсказать, какие комбинации элементов могут привести к созданию новых и полезных суперсплавов.

Чтобы внедрить недавно созданный суперсплав в массовое производство, команда надеется найти способ экономически масштабировать процесс 3D-печати, гарантируя при этом, что готовая продукция не будет содержать микротрещин, что может оказаться затруднительным в больших масштабах. . Преодоление этих проблем может помочь сделать машины, которые обеспечивают нашу повседневную жизнь, более сильными, эффективными и менее вредными для окружающей среды.