Siêu hợp kim mới có thể cắt giảm lượng khí thải carbon từ các nhà máy điện

Siêu hợp kim mới có thể cắt giảm lượng khí thải carbon từ các nhà máy điện

    Siêu hợp kim mới có thể cắt giảm lượng khí thải carbon từ các nhà máy điện
    của Troy Rummler, Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia

    New superalloy could cut carbon emissions from power plants
    Kỹ thuật viên công nghệ Sandia Levi Van Bastian đang làm việc để in tài liệu trên máy Tạo hình lưới được thiết kế bằng laser, cho phép các nhà khoa học in 3D các siêu hợp kim mới. Ảnh: Craig Fritz


    Khi thế giới tìm cách cắt giảm khí thải nhà kính, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia đã chỉ ra rằng một siêu hợp kim in 3D mới có thể giúp các nhà máy điện tạo ra nhiều điện hơn trong khi tạo ra ít carbon hơn.

    Các nhà khoa học Sandia, hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Ames, Đại học bang Iowa và Bruker Corp., đã sử dụng máy in 3D để tạo ra một hợp kim kim loại hiệu suất cao, (siêu hợp kim), với thành phần khác thường giúp nó bền hơn và nhẹ hơn so với trạng thái- các vật liệu tiên tiến hiện đang được sử dụng trong máy móc tuabin khí. Những phát hiện này có thể có tác động rộng khắp trong lĩnh vực năng lượng cũng như ngành hàng không vũ trụ và ô tô, đồng thời gợi ý về một loại hợp kim tương tự mới đang chờ được khám phá.

    Nhà khoa học Andrew Kustas của Sandia cho biết: “Chúng tôi đang chứng minh rằng vật liệu này có thể đạt được sự kết hợp không thể đạt được trước đây của độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng phục hồi nhiệt độ cao”. "Chúng tôi nghĩ rằng một phần lý do chúng tôi đạt được điều này là nhờ phương pháp sản xuất phụ gia."

    Nhóm đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Applied Materials Today.

    Vật liệu chịu nhiệt cao, cần thiết cho tua-bin nhà máy điện
    Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ, khoảng 80% điện năng ở Hoa Kỳ đến từ các nhà máy điện hạt nhân hoặc nhiên liệu hóa thạch. Cả hai loại cơ sở đều dựa vào nhiệt để quay tua-bin tạo ra điện. Hiệu suất của nhà máy điện bị giới hạn bởi mức độ nóng của các bộ phận tuabin kim loại. Sal Rodriguez, một kỹ sư hạt nhân của Sandia, người không tham gia nghiên cứu, cho biết nếu các tuabin có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, thì "có thể chuyển đổi nhiều năng lượng hơn thành điện năng đồng thời giảm lượng nhiệt thải ra môi trường".

    Các thí nghiệm của Sandia cho thấy siêu hợp kim mới—42% nhôm, 25% titan, 13% niobi, 8% zirconium, 8% molypden và 4% tantali—mạnh hơn ở 800 độ C (1.472 độ F) so với nhiều hợp kim hiệu suất cao khác , bao gồm cả những loại hiện đang được sử dụng trong các bộ phận của tuabin, và vẫn mạnh hơn khi được đưa trở lại nhiệt độ phòng.

    "Do đó, đây là một chiến thắng đôi bên cùng có lợi cho năng lượng tiết kiệm hơn và cho môi trường," Rodriguez nói.

    Năng lượng không phải là ngành duy nhất có thể hưởng lợi từ những phát hiện này. Các nhà nghiên cứu hàng không vũ trụ đang tìm kiếm những vật liệu nhẹ bền ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, nhà khoa học Nic Argibay của Phòng thí nghiệm Ames cho biết Ames và Sandia đang hợp tác với ngành để khám phá cách các hợp kim như thế này có thể được sử dụng trong ngành ô tô.

    Argibay cho biết: “Lý thuyết cấu trúc điện tử do Ames Lab dẫn đầu đã có thể cung cấp hiểu biết về nguồn gốc nguyên tử của các đặc tính hữu ích này và chúng tôi hiện đang trong quá trình tối ưu hóa loại hợp kim mới này để giải quyết các thách thức về sản xuất và khả năng mở rộng”.

    Khám phá làm nổi bật những thay đổi trong khoa học vật liệu
    Sản xuất phụ gia, còn được gọi là in 3D, được biết đến như một phương pháp sản xuất linh hoạt và tiết kiệm năng lượng. Một kỹ thuật in phổ biến sử dụng tia laser công suất cao để làm nóng chảy một vật liệu, thường là nhựa hoặc kim loại. Sau đó, máy in sẽ lắng đọng vật liệu đó thành từng lớp, tạo nên một vật thể khi vật liệu nóng chảy nhanh chóng nguội đi và đông đặc lại.

    Nhưng nghiên cứu mới này cho thấy công nghệ này cũng có thể được tái sử dụng như một cách nhanh chóng, hiệu quả để chế tạo vật liệu mới. Các thành viên của nhóm Sandia đã sử dụng máy in 3D để nhanh chóng làm tan chảy các kim loại dạng bột và sau đó in ngay một mẫu của hỗn hợp.

    Sáng tạo của Sandia cũng đại diện cho một bước chuyển cơ bản trong quá trình phát triển hợp kim vì không một kim loại đơn lẻ nào chiếm hơn một nửa vật liệu. Để so sánh, thép có khoảng 98% là sắt kết hợp với carbon, trong số các nguyên tố khác.

    "Sắt và một chút carbon đã thay đổi thế giới," Andrew nói. "Chúng tôi có rất nhiều ví dụ về việc chúng tôi đã kết hợp hai hoặc ba nguyên tố để tạo ra một hợp kim kỹ thuật hữu ích. Bây giờ, chúng tôi đang bắt đầu chuyển sang bốn hoặc năm hoặc nhiều hơn nữa trong một vật liệu duy nhất. Và đó là khi nó thực sự bắt đầu thú vị và đầy thách thức từ khoa học vật liệu và quan điểm luyện kim."

    Khả năng mở rộng và chi phí là những thách thức cần vượt qua
    Trong tương lai, nhóm quan tâm đến việc khám phá liệu các kỹ thuật lập mô hình máy tính tiên tiến có thể giúp các nhà nghiên cứu khám phá thêm các thành viên của loại siêu hợp kim mới, hiệu suất cao, hướng tới sản xuất phụ gia hay không.

    Nhà khoa học Michael Chandross của Sandia, một chuyên gia về mô hình máy tính quy mô nguyên tử, người không trực tiếp tham gia nghiên cứu, cho biết: “Đây là những hỗn hợp cực kỳ phức tạp. "Tất cả những kim loại này tương tác ở cấp độ vi mô—thậm chí là nguyên tử—và chính những tương tác đó thực sự quyết định độ bền của kim loại, độ dẻo của nó, điểm nóng chảy của nó, v.v. Mô hình của chúng tôi sử dụng một

    Zalo
    Hotline