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科学家们创造了一种高性能金属超级合金

时间:2023-10-13   访问量:114

来自桑迪亚国家实验室、艾姆斯国家实验室、爱荷华州立大学和布鲁克公司的研究人员团队使用独特的增材制造方法创建了一种高性能金属合金,该合金比目前高温应用中使用的最坚韧的材料更坚固、更轻,如燃气轮机机械。由于其极高的耐热性,超级合金可以让涡轮机在更高的温度下运行,从而产生更多的电力并产生更少的碳。


实验表明,这种新型超级合金(42% 铝、25% 钛、13% 铌、8% 锆、8% 钼和 4% 钽)在 800 °C (1,472 °F) 下比许多其他高性能合金更坚固。

“我们正在展示这种材料可以实现以前无法获得的高强度、低重量和高温弹性的组合,”材料、物理和化学部门的主要技术人员安德鲁·库斯塔斯 (Andrew Kustas) 说道。桑迪亚国家实验室科学中心。“我们认为我们实现这一目标的部分原因是增材制造方法。”

 


这项研究的一个亮点是它展示了如何使用增材制造(AM)轻松生产新型合金材料的功能样品。该团队使用 3D 打印机将精确数量的金属粉末熔化在一起,然后立即打印样品进行测试。

“我们使用了一种称为激光工程净成形 [LENS] 的方法,这是一种定向能量沉积 3D 打印,”Kustas 说。

 

LENS 最初由桑迪亚国家实验室于 20 世纪 90 年代中期开发、申请专利并商业化。它使用流态化粉末作为起始原料,将其吹向由高功率激光产生的熔池。当粉末被吹入熔池时,它会迅速凝固成固体金属层或焊道。然后,按照计算机生成的 3D 实体模型,使用此方法以分层方式构建零件。


“与其他制造方法(包括其他 3D 打印技术)相比,这种方法的一个主要且独特的优势是能够使用小批量粉末作为原料,大约只有几百克,这对于探索昂贵的实验性材料来说是理想的选择。金属/合金,”库斯塔斯说。“多个储罐用于容纳粉末原料,粉末从这些储罐转移到焊接池。对每个储罐的粉末流量进行独立控制,可以在单个零件中快速开发定制和梯度合金。”

一般来说,团队最大的惊喜是材料在硬度测试过程中的强度。 



Kustas 表示:“该合金的室温硬度为 10-15 GPa,在 800 摄氏度时平均硬度为 8 GPa。” “总体而言,这种合金的最大硬度或强度比 Inconel 718 高 300% 以上,Inconel 718 是目前用于航空和航天应用的传统镍基高温合金。我们使用了一系列机械测试来确定这些特性,包括变温纳米压痕、微划痕和维氏微压痕方法。”



该团队有兴趣探索先进的计算机建模技术是否可以帮助研究人员发现更多可能成为新型高性能增材制造高温合金的成员。

Kustas 指出,对于机械工程师来说,“也许我们工作中最有趣的方面是,如果这种合金或类似的高性能衍生物可以应用于商业系统,那么在工程应用中可能会带来潜在的重量和节能机会。例如,由于合金具有独特的[基于硬度]高强度重量比,即使在高达 800 °C (1472 °F) 的高温下也仅经历相对较小的软化,因此可能有机会利用针对温度关键的运输和能源系统的新设计。例如,涡轮机械、核电站和太阳能系统的部件。”


而且,一般来说,与目前最先进的超级合金相比,该合金可以允许这些系统在更轻的总重量和更高的温度下运行,从而在运行期间实现更高的能量效率。“例如,这种合金或来自这种材料系统的合金系列,可能会在未来的各种标准中得到推荐,例如高性能合金的 ASME 锅炉和压力容器规范,”Kustas 说。


也许对这一发现最大的担忧是可扩展性。虽然该合金在高温下保持高强度方面表现出良好的前景,但仍存在一些需要克服的挑战。例如,该合金在小规模实验室样品的制造过程中容易破裂,这对于需要大几何形状的最终用途应用来说可能是一个相当大的问题。


“此外,其他材料特性表征也至关重要,例如合金蠕变行为和氧化行为,”库斯塔斯说。“我们的团队很高兴继续探索合金系统,以寻找可能提供其他独特性能组合的其他候选合金。”

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