3Dプリントされた「超合金」は発電所の効率を高める可能性がある

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-6-19 11:46 に最後に編集されました

2023年6月19日、アンタークティックベアは、スーパーアロイと呼ばれる新しいタイプの高性能金属合金が、発電所、航空宇宙、自動車産業で使用されるタービンの効率向上に役立つことを知りました。

この超合金は3Dプリント技術を使用して作成され、6つの元素の混合物で構成されています。これらの要素が相互作用して、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を形成します。この強力な超合金は、この方法がうまくスケールアップされれば、産業界のコストと炭素排出量の削減に役立つ可能性がある。

MPES サンプルの微細構造の SEM 画像 (構築時 (A および B) と熱処理後 (C および D))。異なる倍率で表示。
新合金研究開発技術の背景

近年、材料科学の分野では新しい金属合金の研究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% が鉄であ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、今日の課題はそれ以上のものを要求しています。軽量でありながら、高温でも強度を維持し、圧力に耐えられる合金が必要なのです。

エンジニアたちは長年、機械エネルギーを電気に変換する発電所で重要な役割を果たすタービンに使用する材料を最適化するために取り組んできました。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、性能が低下する可能性があります。

これが、科学者たちが過去 20 年間にわたって複雑な合金の研究を続けてきた理由の 1 つです。これらの合金は最大 6 種類の異なる金属で構成されています。科学者たちは、超合金を構成する元素の比率を正確に調整することで、有益な特性につながる新たな原子レベルの相互作用を発見したいと考えている。しかし、元素の組み合わせ比率がほぼ無限であるため、これらの合金を特定の用途に最適化することは非常に困難です。

△研究タイトルは「高温下での超高硬度・軽量多元素超合金の積層造形」（ポータル）
積層造形により革新的なマルチマテリアル合金を実現

有望なアプローチの 1 つは、研究者がさまざまな金属の相対的な割合を正確に制御できる 3D プリントを活用することです。この方法では、強力なレーザーを使用して金属の固体粉末を急速に溶かし、層ごとに堆積させて正確な合金組成を実現します。

ニューメキシコ州アルバカーキにある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。合金の成分は、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% です。この合金は強度、軽量性、耐熱性に優れています。

これらの特性は、世界の電力の 73% を発電する発電所で使用されるタービンにとって特に重要です。実際、タービンを駆動するガスの温度が高いほど、タービンの回転速度が速くなり、効率が高まります。

△ 密度汎関数理論計算により、温度に依存しない硬度と多相構造を形成することによる熱力学的利点が明らかになり、観察結果に合理的な説明が与えられました。発電所のタービンで一般的な温度である 800°C (1472°F) に加熱すると、この超合金は同様の目的のために設計された他の多くの合金よりも強度が高く、軽量になります。この画期的な成果は、特に強度、軽量性、そして極端な温度変化に耐えられる材料が求められる航空宇宙分野において、発電タービン以外の分野での超合金の潜在的用途を示唆している。

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どのように熱エネルギーを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、大規模生産では困難となる可能性のある微細な亀裂が完成品に生じないようにしながら、3D プリントをスケールアップする費用対効果の高い方法を見つけるべく取り組みました。これらの課題を克服することで、私たちが毎日使用している機械のパワーと効率が向上し、環境への影響も軽減されます。

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