Суперсплав, изготовленный с помощью 3D-принтера, может сократить выбросы электростанций

3D-печать уже широко используется как универсальный и энергоэффективный метод производства. Он использует мощный лазер для мгновенного расплавления материала, обычно пластика или металла, который затем осаждается 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, а затем немедленного получения его образца. Новый «суперсплав», напечатанный на 3D-принтере, может помочь электростанциям вырабатывать больше электроэнергии, производя при этом меньше углерода.

Ученые из 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.

«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».

И электростанции, работающие на ископаемом топливе, и атомные электростанции используют тепло для вращения турбин, вырабатывающих электроэнергию. Но эффективность силовой установки ограничена тем, насколько горячими могут быть металлические детали турбины. Если турбины могут работать при более высоких температурах, то больше энергии может быть преобразовано в электричество при одновременном снижении количества отработанного тепла, выделяемого в окружающую среду.

Новый суперсплав, состоящий из 42% алюминия, 25% титана, 13% ниобия, 8% циркония, 8% молибдена и 4% тантала, был прочнее при температуре 800°C, чем многие другие высокоэффективные сплавы, в том числе используемые в настоящее время в деталях турбин.

Энергетика — не единственная отрасль, которая может извлечь выгоду из полученных результатов. Аэрокосмические исследователи ищут легкие материалы, которые остаются прочными при высоких температурах.

Двигаясь вперед, команда заинтересована в изучении того, могут ли передовые методы компьютерного моделирования помочь исследователям обнаружить больше элементов, которые могут стать новым классом высокопроизводительных суперсплавов для аддитивного производства.

Майкл Чандросс, ученый из Sandia, специализирующийся на компьютерном моделировании атомного масштаба, заявил, что обсуждаемые металлические смеси очень сложны. Он указал, что металлы взаимодействуют друг с другом на микроскопическом и атомарном уровнях, и эти взаимодействия управляют различными свойствами металлов, такими как их прочность, пластичность и температура плавления. Чандросс, который не принимал непосредственного участия в исследовании, объяснил, что их модель выгодна, поскольку она может вычислять эти взаимодействия и помогает прогнозировать характеристики новых материалов до их изготовления. 

Кустас сказал, что впереди их 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.