3D

초합금이라고 불리는 새로운 고성능 금속 합금은 발전소, 항공우주 및 자동차 산업에 사용되는 터빈의 효율성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.

3D 프린터를 사용하여 제작된 초합금은 기존 터빈 기계에 사용되는 표준 재료보다 더 가볍고 강한 재료를 형성하는 6가지 요소의 혼합으로 구성됩니다. 강력한 초합금은 접근 방식이 성공적으로 확장될 수 있다면 산업계에서 비용과 탄소 배출을 모두 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

과제: 재료 과학 분야에서는 최근 몇 년간 새로운 금속 합금에 대한 연구가 뜨거워지고 있습니다. 한 세기가 넘도록 우리는 제조 및 건설 산업의 중추를 형성하기 위해 98%가 철로 구성된 강철과 같은 상대적으로 단순한 합금에 의존해 왔습니다. 그러나 오늘날의 과제는 더 높은 온도를 견딜 수 있고 스트레스에도 강하면서도 가벼운 합금을 요구합니다.

엔지니어들은 기계적 에너지를 전기로 변환하는 데 도움이 되는 발전소의 회전 기계인 터빈에 사용되는 재료를 최적화하기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다. 그러나 니켈 및 코발트 기반 초합금과 같은 최첨단 소재라도 극도로 높은 온도에 노출되면 성능이 저하되고 성능이 저하되는 경향이 있습니다.

이것이 바로 과학자들이 지난 20년 동안 최대 6개의 서로 다른 금속으로 구성된 복잡한 합금을 실험해 온 이유 중 하나입니다. 초합금을 구성하는 요소의 정확한 비율을 조정함으로써 과학자들은 새로운 원자 규모 상호 작용이 발생하여 유익한 특성이 발견되기를 바라고 있습니다. 그러나 다양한 비율의 요소가 거의 무한하게 조합되어 있기 때문에 이러한 합금을 특정 용도에 맞게 최적화하는 것은 중요한 과제입니다.

혁신 : 유망한 접근 방식 중 하나는 3D 프린팅 기술을 사용하는 것입니다. 이 방법을 통해 연구자들은 다양한 금속의 상대적 비율을 정확하게 제어할 수 있습니다. 그들은 강력한 레이저를 사용하여 고체 분말 형태의 금속을 빠르게 녹인 다음 얇은 층으로 증착함으로써 이를 달성합니다.

뉴멕시코 주 앨버커키에 위치한 Sandia National Laboratories의 Andrew Kustas가 이끄는 연구팀은 이 기술을 활용하여 고성능 6원소 초합금을 개발했습니다. 알루미늄 42%, 티타늄 25%, 니오븀 13%, 지르코늄 8%, 몰리브덴 8%, 탄탈륨 4%로 구성된 이 합금은 강하고 가벼우며 믿을 수 없을 만큼 내열성이 뛰어납니다.

이러한 특성은 전세계 전체 발전량의 약 73%를 차지하는 발전소에 사용되는 터빈에 특히 중요합니다. 결국, 터빈을 구동하는 가스의 온도가 높을수록 터빈이 더 빠르게 회전하고 효율성이 높아집니다.

발전소 터빈의 일반적인 온도인 800°C(1472°F)로 가열되었을 때 이 초합금은 비슷한 목적으로 설계된 다른 많은 초합금보다 더 강하고 더 가벼웠습니다. 이러한 획기적인 발전은 특히 재료가 강하고 가벼우며 극심한 온도 변화에 견딜 수 있어야 하는 항공우주 분야에서 전력 터빈을 넘어서는 잠재적인 응용 가능성을 제시합니다.

연구원들은 또한 초합금의 성능이 특정 요소 조합이 열 에너지를 어떻게 전도하는지 예측하도록 설계된 컴퓨터 모델에서 생성된 예측과 상관관계가 있음을 발견했습니다. 이러한 예측은 미래의 컴퓨터 모델이 어떤 요소 조합이 새롭고 유용한 초합금을 생성할 것인지 예측하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다.

최근 생성된 초합금을 주류 제조에 도입하기 위해 팀은 3D 프린팅 공정을 경제적으로 확장하는 동시에 완제품에 대규모로 수행하기 어려울 수 있는 미세한 균열이 포함되지 않도록 하는 방법을 찾고자 합니다. . 이러한 과제를 극복하면 일상 생활에 힘을 실어주는 기계를 더욱 강력하고 효율적이며 환경에 덜 해롭게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.