3D

超合金と呼ばれる新しい高性能金属合金は、発電所や航空宇宙産業、自動車産業で使用されるタービンの効率向上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、従来のタービン機械で使用される標準的な材料よりも軽量かつ強度の高い材料を形成する 6 つの元素の混合物で構成されています。 この強力な超合金は、このアプローチがうまくスケールアップできれば、産業界のコストと炭素排出量の両方を削減するのに役立つ可能性がある。

チャレンジ：材料科学の世界では、近年、新しい金属合金の探索が熱くなっています。 1 世紀以上にわたり、当社は 98% が鉄で構成される鋼のような比較的単純な合金に依存して、製造業や建設業の基幹を形成してきました。 しかし、今日の課題では、より高温に耐え、応力下でも強度を保ちながら軽量である合金が求められています。

エンジニアは長い間、機械エネルギーを電気に変換するのに役立つ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試みてきました。 しかし、ニッケルやコバルトベースの超合金のような最先端の材料であっても、極度の高温にさらされると劣化し、性能が低下する傾向があります。

それが、科学者たちが過去 20 年間、最大 6 種類の金属で構成される複雑な合金の実験に費やしてきた理由の 1 つです。 科学者らは、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、新たな原子スケールの相互作用が起こり、有益な特性の発見につながることを期待している。 ただし、さまざまな割合で元素がほぼ無限に組み合わされるため、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となります。

イノベーション : 有望なアプローチの 1 つは、3D プリンティング技術の使用です。 この方法により、研究者はさまざまな金属の相対比率を正確に制御できます。 彼らは、強力なレーザーを使用して固体の粉末状の金属を急速に溶かし、それを薄い層に堆積させることによってこれを実現します。

ニューメキシコ州アルバカーキのサンディア国立研究所のアンドリュー・クスタス率いる研究チームは、この技術を利用して高性能の 6 元素超合金を開発しました。 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、強度が高く、軽量で、驚くほどの耐熱性を備えています。

これらの特性は、世界中の全発電量の約 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の温度が高いほど、タービンの回転は速くなり、効率も高くなります。

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) に加熱しても、同様の目的で設計された他の多くの超合金よりも強度が高く、軽量なままでした。 このブレークスルーは、特に材料が強く、軽量で、極端な温度変化に耐える必要がある航空宇宙において、パワータービンを超えた潜在的な用途を示唆しています。

研究者らはまた、超合金の性能が、元素の特定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ように設計されたコンピューターモデルから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ー モデルが、どの元素の組み合わせが新しく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。

最近作成された超合金を主流の製造に導入するために、チームは、完成品にマイクロスケールの亀裂が含まれ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す。これは、大規模に行うのは難しいことが判明している可能性があります。 これらの課題を克服することで、私たちの日常生活に動力を供給する機械をより強力に、より効率的に、そして環境へのダメージを軽減するのに役立つ可能性があります。