Ο τεχνολόγος του Sandia National Laboratories Levi Van Bastian εργάζεται για την εκτύπωση υλικού στη μηχανή Laser Engineered Net Shaping, η οποία επιτρέπει στους επιστήμονες να εκτυπώνουν 3D νέα υπερκράματα.
(Φωτογραφία Craig Fritz/Sandia National Laboratories)
Ερευνητές από τα Εθνικά Εργαστήρια Sandia ανακοίνωσαν τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου εκτυπωμένου υπερκράματος που είναι ισχυρότερο και ελαφρύτερο από τα υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα σε μηχανήματα αεριοστροβίλων. Ως αποτέλεσμα, θα μπορούσε να βοηθήσει τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας να παράγουν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια παράγοντας λιγότερο άνθρακα και να έχει ευρύτερες επιπτώσεις στην αεροδιαστημική και την αυτοκινητοβιομηχανία.
«Δείχνουμε ότι αυτό το υλικό μπορεί να έχει πρόσβαση σε συνδυασμούς υψηλής αντοχής, χαμηλού βάρους και ανθεκτικότητας σε υψηλές θερμοκρασίες που δεν είχαν επιτευχθεί στο παρελθόν», δήλωσε ο επιστήμονας της Sandia, Andrew Kustas. «Πιστεύουμε ότι μέρος του λόγου που το πετύχαμε είναι λόγω της προσέγγισης παραγωγής προσθέτων».
Ο ισχυρισμός της ερευνητικής ομάδας βασίζεται στο γεγονός ότι η απόδοση των ορυκτών καυσίμων και των πυρηνικών σταθμών περιορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που μπορούν να αντέξουν οι τουρμπίνες τους. Επομένως, ένας στρόβιλος κατασκευασμένος από μέταλλο που διατηρεί την αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες θα επέτρεπε στις γεννήτριες να μετατρέψουν περισσότερη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια.
Σύμφωνα με τα πειράματα της Sandia, το υπερκράμα του –αποτελούμενο από 42% αλουμίνιο, 25% τιτάνιο, 13% νιόβιο, 8% ζιρκόνιο, 8% μολυβδαίνιο και 4% ταντάλιο– ήταν ισχυρότερο στους 800°C από πολλά άλλα κράματα υψηλής απόδοσης, συμπεριλαμβανομένων αυτών χρησιμοποιείται επί του παρόντος σε εξαρτήματα στροβίλου και είναι ακόμα πιο ισχυρό όταν επανήλθε σε θερμοκρασία δωματίου.
Το Laser Engineered Net Shaping βοηθά τους επιστήμονες στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia να ανακαλύψουν γρήγορα, να δημιουργήσουν πρωτότυπα και να δοκιμάσουν νέα υλικά.
(Φωτογραφία Craig Fritz/Sandia National Laboratories)
Η ομάδα της Sandia χρησιμοποίησε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή για να λιώσει τα κονιοποιημένα μέταλλα που τον αποτελούν και στη συνέχεια να εκτυπώσει ένα δείγμα του. Προχωρώντας προς τα εμπρός, η ομάδα λέει ότι θα διερευνήσει εάν οι προηγμένες τεχνικές μοντελοποίησης υπολογιστών μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να ανακαλύψουν περισσότερα μέλη μιας νέας κατηγορίας υπερκράματα υψηλής απόδοσης που κατασκευάζονται με πρόσθετο.
«Πρόκειται για εξαιρετικά πολύπλοκα μείγματα», δήλωσε ο επιστήμονας της Sandia, Michael Chandross, ειδικός στη μοντελοποίηση υπολογιστών ατομικής κλίμακας, ο οποίος δεν συμμετείχε άμεσα στη μελέτη. «Όλα αυτά τα μέταλλα αλληλεπιδρούν σε μικροσκοπικό –ακόμη και ατομικό– επίπεδο, και είναι αυτές οι αλληλεπιδράσεις που καθορίζουν πραγματικά πόσο ισχυρό είναι ένα μέταλλο, πόσο εύπλαστο είναι, ποιο θα είναι το σημείο τήξης του και ούτω καθεξής. Το μοντέλο μας αφαιρεί πολλές εικασίες από τη μεταλλουργία, επειδή μπορεί να υπολογίσει όλα αυτά και να μας επιτρέψει να προβλέψουμε την απόδοση ενός νέου υλικού πριν το κατασκευάσουμε».
Τούτου λεχθέντος, η ομάδα αναγνωρίζει ότι το υπερκράμα του θα μπορούσε να είναι δύσκολο να παραχθεί σε μεγάλους όγκους χωρίς μικροσκοπικές ρωγμές και ότι τα υλικά που μπαίνουν στο κράμα είναι ακριβά.
Η έρευνα διεξήχθη σε συνεργασία με το Εθνικό Εργαστήριο Ames, το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αϊόβα και την Bruker Corp. και χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και το πρόγραμμα Εργαστηρίου Κατευθυνόμενης Έρευνας και Ανάπτυξης της Sandia. Τα ευρήματα της ομάδας δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό, Εφαρμοσμένα Υλικά Σήμερα.
www.sandia.gov
