在全世界都在尋找減少溫室氣體排放的方法之際，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員表明，一種新的3D打印高溫合金可以幫助發(fā)電廠產(chǎn)生更多的電力，同時(shí)減少碳排放。

桑迪亞的科學(xué)家與艾姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、愛荷華州立大學(xué)和布魯克公司的研究人員合作，使用3D打印技術(shù)制造了一種高性能金屬合金或者說高溫合金，由于這種合金不同尋常的成分，使其比目前應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)上的*先進(jìn)的材料要更堅(jiān)固、更輕。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)對(duì)能源行業(yè)、航空航天和汽車行業(yè)產(chǎn)生廣泛的影響，并預(yù)示著一類新的合金將被發(fā)現(xiàn)。

桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Andrew Kustas表示：“我們正在證明，這種合金可以實(shí)現(xiàn)之前材料無法實(shí)現(xiàn)的高強(qiáng)度、質(zhì)輕和高溫彈性的組合。取得這一成就的部分原因在于采用了增材制造的方法�！�

該團(tuán)隊(duì)的這一研究成果發(fā)表于《Applied Materials Today》期刊。

耐高溫材料，對(duì)發(fā)電廠渦輪機(jī)至關(guān)重要

根據(jù)美國(guó)能源信息署的數(shù)據(jù)，美國(guó)約80%的電力來自化石燃料或核電站。這兩種類型的設(shè)施都是依靠熱量來驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電，所以發(fā)電廠的效率就受到熱金屬渦輪部件溫度的限制。桑迪亞核工程師Sal Rodriguez雖然沒有參與這項(xiàng)研究，但他解釋道：“如果渦輪機(jī)能夠在更高的溫度下運(yùn)行，那么更多的能量可以轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)還可以減少釋放到環(huán)境中的廢熱�！�

桑迪亞的實(shí)驗(yàn)表明，這種成分為42%鋁、25%鈦、13%鈮、8%鋯、8%鉬和4%鉭的新型高溫合金，在800攝氏度下比其他大多數(shù)合金（包括目前應(yīng)用于渦輪部件的高性能合金）都更堅(jiān)固。

Rodriguez表示：“這對(duì)更加經(jīng)濟(jì)的能源和環(huán)境是雙贏的�！�

能源并不是*能從這些發(fā)現(xiàn)中受益的行業(yè)。航空航天的研究人員也一直在尋找高溫下可保持堅(jiān)固的輕質(zhì)材料。此外，艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Nic Argibay表示，艾姆斯和桑迪亞實(shí)驗(yàn)室正在與制造行業(yè)共同探索此類合金如何應(yīng)用于汽車業(yè)。

Argibay解釋說：“電子結(jié)構(gòu)理論能夠指導(dǎo)艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的科研人員在原子層面上對(duì)這些材料屬性的理解，我們現(xiàn)在正在優(yōu)化這類新型合金，以應(yīng)對(duì)規(guī)�；�生產(chǎn)的挑戰(zhàn)�！�

新發(fā)現(xiàn)改變材料科學(xué)

增材制造，也稱為3D打印，是一種常用且節(jié)能的制造方法。這種打印技術(shù)是使用高功率激光快速熔化材料，通常是塑料或金屬。然后，打印機(jī)將材料分層沉積，在熔融材料快速冷卻和固化時(shí)形成部件。

在*新的研究中表明，這項(xiàng)技術(shù)也可以作為一種快速、有效的制造新材料的方法被重新利用。桑迪亞團(tuán)隊(duì)成員使用3D打印機(jī)快速熔化金屬粉末，然后即時(shí)打印出樣品。

桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)也代表了合金發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)變，因?yàn)樵摬牧现袥]有一種金屬成分超過整體的50%。相比之下，工業(yè)材料鋼大約是98%的鐵與碳及其他元素結(jié)合在一起的。

Kustas說道：“鐵和一小撮碳改變了世界。我們有很多將兩種或三種元素結(jié)合起來制造有用工程合金的例子。現(xiàn)在，我們開始在一種材料中深入到四種或五種以上的元素。從材料科學(xué)和冶金學(xué)的角度來看，這才是真正開始變得有趣和富有挑戰(zhàn)性的�！�

規(guī)模化生產(chǎn)和成本是需要面對(duì)的挑戰(zhàn)

接下來，該團(tuán)隊(duì)探索先進(jìn)的計(jì)算機(jī)建模技術(shù)是否能幫助研究人員發(fā)現(xiàn)更多新型高性能增材制造高溫合金。

桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的原子級(jí)計(jì)算機(jī)建模專家Michael Chandross說：“這些高溫合金都是極其復(fù)雜的混合物，所有金屬成分都在微觀甚至原子水平上相互作用，正是這些相互作用決定了材料的強(qiáng)度、延展性等。我們的模型省去了很多冶金學(xué)的猜測(cè)，因?yàn)樗�可以�?jì)算所有結(jié)果，使我們能夠在制造新材料之前預(yù)測(cè)其性能。”

Kustas認(rèn)為，未來還有很多挑戰(zhàn)。首先，很難保證在沒有微觀裂紋的情況下，大批量生產(chǎn)這種新型高溫合金，這是增材制造中的一個(gè)普遍難題。還有就是制造這種合金的材料很昂貴。因此，這種合金可能不適用于關(guān)注降低成本的消費(fèi)品。

Kustas表示：“雖然目前存在這些限制，但如果這些問題一旦被解決，我們有了規(guī)模化的生產(chǎn)能力，這將改變規(guī)則。”

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