3D 프린터로 만든 '초합금', 발전소 배출가스 줄일 수 있다

이미지 크레디트: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

By E&T 편집진

게시일: 2023년 2월 20일 월요일

새로운 3D 프린팅된 "초합금"은 발전소가 더 적은 탄소를 생산하면서 더 많은 전력을 생산하는 데 도움이 될 수 있습니다.

미국의 Sandia National Laboratories, Ames National Laboratory, Iowa State University 및 Bruker Corp.의 과학자 그룹은 3D 프린터를 사용하여 특이한 구성으로 더 강한 고성능 금속 합금 또는 초합금을 만들었습니다. 현재 가스 터빈 기계에 사용되는 최첨단 소재보다 가볍습니다.

이번 발견은 에너지 부문은 물론 항공우주 및 자동차 산업 전반에 걸쳐 광범위한 영향을 미칠 수 있으며, 아직 발견되지 않은 새로운 종류의 유사한 합금을 가리킬 수 있습니다.

Sandia 과학자 Andrew Kustas는 “우리는 이 재료가 이전에는 얻을 수 없었던 고강도, 저중량 및 고온 탄력성의 조합에 접근할 수 있다는 것을 보여주고 있습니다.”라고 말했습니다. "우리가 이것을 달성한 이유 중 하나는 적층 제조 접근 방식 때문이라고 생각합니다."

화석 연료와 원자력 발전소 모두 전기를 생산하는 터빈을 돌리기 위해 열에 의존합니다. 그러나 발전소 효율성은 뜨거운 금속 터빈 부품을 얻을 수 있는 방법에 따라 제한됩니다.

이미지 크레디트: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

터빈이 더 높은 온도에서 작동할 수 있다면 환경으로 방출되는 폐열의 양을 줄이면서 더 많은 에너지를 전기로 변환할 수 있습니다.

알루미늄 42%, 티타늄 25%, 니오븀 13%, 지르코늄 8%, 몰리브덴 8%, 탄탈륨 4%로 구성된 이 새로운 초합금은 다른 많은 고성능 합금보다 800°C에서 더 강했습니다. 현재 터빈 부품에 사용되는 합금을 포함하여 실온으로 다시 낮추면 더욱 강해집니다.

연구에 참여하지 않은 Sandia 원자력 엔지니어 Sal Rodriguez는 “따라서 이는 보다 경제적인 에너지와 환경을 위한 윈윈(win-win)”이라고 말했습니다.

고열에도 강하게 유지되는 경량 소재를 찾는 항공우주 연구자들도 초합금의 이점을 누릴 수 있습니다.

3D 프린팅은 이미 다양하고 에너지 효율적인 제조 방법으로 널리 사용되고 있습니다. 이는 고출력 레이저를 사용하여 일반적으로 플라스틱이나 금속과 같은 재료를 순간 용융시킨 다음 녹은 재료가 빠르게 냉각되고 응고됨에 따라 여러 층으로 증착되어 물체를 만듭니다.

연구원들은 3D 프린터를 사용하여 분말 금속을 녹인 다음 즉시 샘플을 생성함으로써 새로운 합금을 만드는 빠르고 효율적인 방법으로 이 기술의 용도를 변경했습니다.

Kusta는 “우리는 유용한 엔지니어링 합금을 만들기 위해 두세 가지 요소를 결합한 사례를 많이 가지고 있습니다.”라고 말했습니다. “이제 우리는 단일 재료 내에서 4, 5개 또는 그 이상을 다루기 시작했습니다. 그리고 그때부터 재료과학과 야금학적 관점에서 흥미롭고 도전적인 일이 시작됩니다.”

앞으로 팀은 첨단 컴퓨터 모델링 기술이 연구자들이 적층 제조로 생산되는 새로운 종류의 고성능 초합금이 될 수 있는 구성원을 더 많이 발견하는 데 도움이 될 수 있는지 탐구하는 데 관심이 있습니다.

이번 연구에 직접 참여하지 않은 Sandia 과학자 Michael Chandross는 "이것은 매우 복잡한 혼합물입니다."라고 말했습니다. “이러한 모든 금속은 미세한 수준, 심지어 원자 수준에서도 상호 작용하며 이러한 상호 작용에 따라 금속의 강도, 가단성, 녹는점 등이 결정됩니다.

"우리 모델은 모든 것을 계산할 수 있고 새로운 재료를 제작하기 전에 그 성능을 예측할 수 있기 때문에 야금학에서 많은 추측을 필요로 합니다."

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