В то время как мир ищет способы сократить выбросы парниковых газов, исследователи из Sandia National Laboratories показали, что новый суперсплав, напечатанный на 3D-принтере, может помочь электростанциям вырабатывать больше электроэнергии при меньшем выбросе углерода.
Новый суперсплав сократит выбросы углерода от электростанций
Ученые Sandia в сотрудничестве с исследователями из Национальной лаборатории Эймса, Университета штата Айова и корпорации Bruker использовали 3D-принтер для создания высокоэффективного металлического сплава, или суперсплава, с необычным составом, который делает его прочнее и легче, чем обычные современные материалы, используемые в настоящее время в газотурбинном оборудовании. Выводы могут иметь большое значение для энергетического сектора, а также для аэрокосмической и автомобильной промышленности, а также намекают на новый класс подобных сплавов, которые ждут своего открытия.
«Мы показываем, что этот материал может получить ранее недостижимое сочетание высокой прочности, малого веса и устойчивости к высоким температурам», — сказал ученый из Sandia Эндрю Кустас. «Мы думаем, что отчасти мы достигли этого благодаря подходу аддитивного производства».
Команда опубликовала свои выводы в журнале Applied Materials Today.
Материал выдерживает высокую температуру, что важно для турбин электростанций
По данным Управления энергетической информации США , около 80% электроэнергии в США вырабатывается на ископаемом топливе или на атомных электростанциях . Оба типа объектов используют тепло для вращения турбин, вырабатывающих электроэнергию. Эффективность силовой установки ограничена тем, насколько горячие металлические детали турбины могут попасть в нее. Если турбины могут работать при более высоких температурах, «тогда больше энергии может быть преобразовано в электричество при одновременном снижении количества отработанного тепла, выделяемого в окружающую среду», — сказал Сэл Родригес, инженер-ядерщик Sandia, не участвовавший в исследовании.
Эксперименты Sandia показали, что новый суперсплав — 42 % алюминия, 25 % титана, 13 % ниобия, 8 % циркония, 8 % молибдена и 4 % тантала — был прочнее при 800 градусах Цельсия (1472 градуса по Фаренгейту), чем многие другие высокоэффективные сплавы, в том числе те, которые в настоящее время используются в деталях турбин, и еще сильнее, когда она была доведена до комнатной температуры.
«Поэтому это беспроигрышный вариант для более экономичной энергии и для окружающей среды», — сказал Родригес.
Энергетика — не единственная отрасль, которая может извлечь выгоду из полученных результатов. Аэрокосмические исследователи ищут легкие материалы, которые остаются прочными при высоких температурах. Кроме того, ученый из лаборатории Эймса Ник Аргибай сказал, что Эймс и Сандия сотрудничают с промышленностью, чтобы изучить, как такие сплавы можно использовать в автомобильной промышленности.
«Теория электронной структуры под руководством Ames Lab смогла обеспечить понимание атомного происхождения этих полезных свойств, и сейчас мы находимся в процессе оптимизации этого нового класса сплавов для решения проблем производства и масштабирования», — сказал Аргибай.
Технолог Sandia National Laboratories Леви Ван Бастиан работает над печатью материала на машине Laser Engineered Net Shaping, которая позволяет ученым печатать в 3D новые суперсплавы.
Исследование финансировалось Министерством энергетики и Лабораторией Сандиа по программе направленных исследований и разработок.
Discovery подчеркивает изменения в материаловедении
Аддитивное производство, также называемое 3D-печатью, известно как универсальный и энергоэффективный метод производства. Обычный метод печати использует мощный лазер для мгновенного плавления материала, обычно пластика или металла. Затем принтер наносит этот материал слоями, создавая объект по мере того, как расплавленный материал быстро остывает и затвердевает.
Но это новое исследование демонстрирует, как эту технологию можно перепрофилировать в качестве быстрого и эффективного способа создания новых материалов. Члены команды Sandia использовали 3D-принтер, чтобы быстро расплавить порошкообразные металлы, а затем сразу же напечатать его образец.
Создание Sandia также представляет собой фундаментальный сдвиг в разработке сплавов, поскольку ни один металл не составляет более половины материала. Для сравнения, сталь примерно на 98% состоит из железа в сочетании с углеродом и другими элементами.
«Железо и щепотка углерода изменили мир», — сказал Кустас. «У нас есть много примеров, когда мы объединяли два или три элемента, чтобы сделать полезный инженерный сплав. Теперь мы начинаем входить в четыре, пять или больше в одном материале. И вот тогда это действительно становится интересным и сложным с точки зрения материаловедения и металлургии».
Масштабируемость, стоимость — проблемы, которые необходимо преодолеть
Двигаясь вперед, команда заинтересована в изучении того, могут ли передовые методы компьютерного моделирования помочь исследователям обнаружить больше членов того, что может стать новым классом высокопроизводительных суперсплавов для аддитивного производства.
«Это чрезвычайно сложные смеси», — сказал ученый из Sandia Майкл Чандросс, эксперт по компьютерному моделированию в атомном масштабе, который не принимал непосредственного участия в исследовании. «Все эти металлы взаимодействуют на микроскопическом — даже на атомном — уровне, и именно эти взаимодействия действительно определяют, насколько металл прочен, насколько он пластичен, какова будет его температура плавления и так далее. Наша модель избавляет металлургию от многих догадок, потому что она может все это рассчитать и позволяет нам прогнозировать характеристики нового материала до того, как мы его изготовим».
Кусташ сказал, что впереди нас ждут испытания. Во-первых, может быть сложно производить новый суперсплав в больших объемах без микроскопических трещин, что является общей проблемой аддитивного производства. Он также сказал, что материалы, которые входят в сплав, дороги. Таким образом, сплав может не подходить для потребительских товаров, для которых снижение стоимости является основной задачей.
«Со всеми этими оговорками, если это масштабируемо и мы можем сделать из этого большую часть, это изменит правила игры», — сказал Кустас.
