タービン発電の効率を向上させるために、科学者は6つの元素を使った新しい「超合金」を3Dプリントで開発しました

超合金と呼ばれる新しい種類の高性能金属合金は、発電所、航空宇宙産業、自動車産業で使用されるタービンの効率を向上させるのに役立つ可能性があります。

3D プリンターを使用して作成されたこの超合金は、6 つの要素で構成されており、これらを組み合わせることで、従来のターボ機械で使用される標準的な材料よりも軽量で強度の高い材料が生まれます。このアプローチがうまくスケールアップできれば、この強力な超合金は産業界のコスト削減と炭素排出量削減に役立つ可能性がある。

課題:材料科学の世界では、近年、新しい金属合金の探索が活発化しています。 1 世紀以上にわたり、私たちは製造業や建設業の基盤を形成するために、98% が鉄で構成される鋼鉄などの比較的単純な合金に依存してきました。しかし、今日の課題には、より高い温度に耐え、圧力下で強度を維持し、しかも軽量なままの合金が求められています。

技術者たちは長い間、機械エネルギーを電気に変換する発電所の回転機械であるタービンに使用される材料の最適化を模索してきた。しかし、ニッケルやコバルトをベースとした超合金などの最先端の材料であっても、非常に高い温度にさらされると劣化し、性能が低下する傾向があります。

これが、科学者たちが過去20年間、6種類もの異なる金属で作られた複雑な合金の実験を続けてきた理由の一つだ。科学者たちは、超合金を構成する元素の正確な比率を微調整することで、新たな原子レベルの相互作用が生まれ、有益な特性の発見につながることを期待している。しかし、さまざまな比率の元素の組み合わせがほぼ無限にあるため、これらの合金を特定の用途に最適化することは大きな課題です。

イノベーション:有望なアプローチの 1 つは、3D プリント技術の使用です。このアプローチにより、研究者はさまざまな金属の相対的な割合を正確に制御できるようになります。彼らは、強力なレーザーを使用して固体の粉末金属を急速に溶かし、それを薄い層に堆積させることでこれを実現しました。

サンディア国立研究所のアンドリュー・クスタス氏が率いる研究チームは、この技術を使用して高性能の6元素超合金を開発した。この合金は、アルミニウム 42%、チタン 25%、ニオブ 13%、ジルコニウム 8%、モリブデン 8%、タンタル 4% で構成されており、強度と軽量性、そして驚異的な耐熱性を兼ね備えています。

これらの特性は、世界中で発電される全電力の約 73% を占める発電所で使用されるタービンにとって特に重要です。結局のところ、タービンを駆動するガスが高温になればなるほど、タービンの回転速度が速くなり、効率が高まります。

この超合金は、発電所のタービンで一般的な温度である 800°C (1472°F) まで加熱されても、他の多くの材料よりも強度と軽量性を維持します。この画期的な成果は、電力タービン以外にも、特に航空宇宙分野での、強度、軽量性、そして極端な温度変化に耐えられることが求められる材料への応用の可能性を示唆している。

研究者らはまた、この超合金の性能が、特定の元素の組み合わせが熱エネルギーをどのように伝導するかを予測するために設計されたコンピューターモデルによって生成された予測と相関していることも発見した。これらの予測は、将来のコンピュータモデルが、どの元素の組み合わせが新しい有用な超合金を生み出す可能性があるかを予測するのに役立つ可能性があることを示唆しています。

研究チームは、最近開発された超合金を主流の製造に導入するために、最終製品に微細な亀裂が入らないようにしながら、3D プリントプロセスを経済的にスケールアップする方法を見つけたいと考えていました。微細な亀裂は、大規模に行うと難しい場合があります。これらの課題を克服することで、私たちの日常生活を支える機械をより強力かつ効率的にし、環境へのダメージを軽減することができます。

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