一種稱為超級合金的新型高性能金屬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(jī)的效率。

這種超級合金是使用 3D 打印機(jī)創(chuàng)建的，由六種元素的混合物組成，這些元素共同形成一種比傳統(tǒng)渦輪機(jī)械中使用的標(biāo)準(zhǔn)材料更輕、更堅(jiān)固的材料。這種堅(jiān)固的高溫合金可以幫助工業(yè)降低成本和碳排放——如果這種方法能夠成功擴(kuò)大規(guī)模的話。

挑戰(zhàn)：在材料科學(xué)領(lǐng)域，近年來對新金屬合金的研究一直在升溫。一個(gè)多世紀(jì)以來，我們一直依賴相對簡單的合金，如含 98% 鐵的鋼，來構(gòu)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：合金能夠承受更高的溫度并在壓力下保持堅(jiān)固，但仍然很輕。

長期以來，工程師們一直試圖優(yōu)化渦輪機(jī)中使用的材料——發(fā)電廠中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械有助于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。但即使是最先進(jìn)的材料，如鎳基和鈷基超級合金，在暴露于極高溫度時(shí)也往往會退化并性能下降。

這就是為什么科學(xué)家們在過去二十年里一直在試驗(yàn)復(fù)雜合金的原因之一，其中一些合金由多達(dá)六種不同的金屬組成。通過調(diào)整構(gòu)成超級合金的元素的確切比例，科學(xué)家們希望能夠發(fā)生新的原子級相互作用，從而發(fā)現(xiàn)有益的特性。然而，由于不同比例的元素組合幾乎是無限的，針對特定應(yīng)用優(yōu)化這些合金是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新：一種有前途的方法是使用 3D 打印技術(shù)。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(qiáng)大的激光快速熔化固體粉末形式的金屬，然后將它們沉積成薄層來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

由新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的安德魯庫斯塔斯領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)了一種高性能的六元素超級合金。這種合金由 42% 的鋁、25% 的鈦、13% 的鈮、8% 的鋯、8% 的鉬和 4% 的鉭制成，堅(jiān)固、輕便且耐熱性極佳。

這些特性對于發(fā)電廠中使用的渦輪機(jī)尤為重要，發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的 73%。畢竟，驅(qū)動渦輪機(jī)的氣體溫度越高，它們旋轉(zhuǎn)得越快，效率也越高。

當(dāng)加熱到 800°C (1472°F)（發(fā)電廠渦輪機(jī)的常見溫度）時(shí)，這種超級合金比許多其他為類似目的設(shè)計(jì)的合金更堅(jiān)固、更輕。這一突破表明了動力渦輪機(jī)以外的潛在應(yīng)用，特別是在航空航天領(lǐng)域，材料需要堅(jiān)固、輕便并能抵抗極端溫度變化。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，超級合金的性能與計(jì)算機(jī)模型生成的預(yù)測相關(guān)，該模型旨在預(yù)測元素的特定組合如何傳導(dǎo)熱能。這些預(yù)測表明，未來的計(jì)算機(jī)模型可能能夠幫助預(yù)測哪些元素組合可能會產(chǎn)生新的有用的超級合金。

為了將最近創(chuàng)造的超級合金帶入主流制造，該團(tuán)隊(duì)希望找到一種方法來經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)大 3D 打印過程，同時(shí)確保成品不包含微裂紋，這可能難以在更大規(guī)模上進(jìn)行. 克服這些挑戰(zhàn)可能有助于使為我們?nèi)粘Ｉ钐峁﹦恿Φ臋C(jī)器變得更強(qiáng)大、更高效，同時(shí)減少對環(huán)境的破壞。

一種稱為超級合金的新型高性能金屬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(jī)的效率。

這種超級合金是使用 3D 打印機(jī)創(chuàng)建的，由六種元素的混合物組成，這些元素共同形成一種比傳統(tǒng)渦輪機(jī)械中使用的標(biāo)準(zhǔn)材料更輕、更堅(jiān)固的材料。這種堅(jiān)固的高溫合金可以幫助工業(yè)降低成本和碳排放——如果這種方法能夠成功擴(kuò)大規(guī)模的話。

挑戰(zhàn)：在材料科學(xué)領(lǐng)域，近年來對新金屬合金的研究一直在升溫。一個(gè)多世紀(jì)以來，我們一直依賴相對簡單的合金，如含 98% 鐵的鋼，來構(gòu)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：合金能夠承受更高的溫度并在壓力下保持堅(jiān)固，但仍然很輕。

長期以來，工程師們一直試圖優(yōu)化渦輪機(jī)中使用的材料——發(fā)電廠中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械有助于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。但即使是最先進(jìn)的材料，如鎳基和鈷基超級合金，在暴露于極高溫度時(shí)也往往會退化并性能下降。

這就是為什么科學(xué)家們在過去二十年里一直在試驗(yàn)復(fù)雜合金的原因之一，其中一些合金由多達(dá)六種不同的金屬組成。通過調(diào)整構(gòu)成超級合金的元素的確切比例，科學(xué)家們希望能夠發(fā)生新的原子級相互作用，從而發(fā)現(xiàn)有益的特性。然而，由于不同比例的元素組合幾乎是無限的，針對特定應(yīng)用優(yōu)化這些合金是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新：一種有前途的方法是使用 3D 打印技術(shù)。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(qiáng)大的激光快速熔化固體粉末形式的金屬，然后將它們沉積成薄層來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

由新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的安德魯庫斯塔斯領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)了一種高性能的六元素超級合金。這種合金由 42% 的鋁、25% 的鈦、13% 的鈮、8% 的鋯、8% 的鉬和 4% 的鉭制成，堅(jiān)固、輕便且耐熱性極佳。

這些特性對于發(fā)電廠中使用的渦輪機(jī)尤為重要，發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的 73%。畢竟，驅(qū)動渦輪機(jī)的氣體溫度越高，它們旋轉(zhuǎn)得越快，效率也越高。

當(dāng)加熱到 800°C (1472°F)（發(fā)電廠渦輪機(jī)的常見溫度）時(shí)，這種超級合金比許多其他為類似目的設(shè)計(jì)的合金更堅(jiān)固、更輕。這一突破表明了動力渦輪機(jī)以外的潛在應(yīng)用，特別是在航空航天領(lǐng)域，材料需要堅(jiān)固、輕便并能抵抗極端溫度變化。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，超級合金的性能與計(jì)算機(jī)模型生成的預(yù)測相關(guān)，該模型旨在預(yù)測元素的特定組合如何傳導(dǎo)熱能。這些預(yù)測表明，未來的計(jì)算機(jī)模型可能能夠幫助預(yù)測哪些元素組合可能會產(chǎn)生新的有用的超級合金。

為了將最近創(chuàng)造的超級合金帶入主流制造，該團(tuán)隊(duì)希望找到一種方法來經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)大 3D 打印過程，同時(shí)確保成品不包含微裂紋，這可能難以在更大規(guī)模上進(jìn)行. 克服這些挑戰(zhàn)可能有助于使為我們?nèi)粘Ｉ钐峁﹦恿Φ臋C(jī)器變得更強(qiáng)大、更高效，同時(shí)減少對環(huán)境的破壞。