创新金属合金：可承受燃气轮机高温挑战

来自 实验室仪器网

自20世纪初首次商业航空旅行问世以来，航空旅行已变得像乘坐公共汽车或驾驶汽车一样普遍。事实上，每天约有600万人乘坐飞机。由于越来越多的人依赖航空旅行进行工作和休闲，研究人员正在不断改进飞机技术。

喷气发动机动力强劲，会产生大量热量。在这些超高热环境中使用的材料被称为高温合金。这些耐高温金属通常是镍基或钴基合金。它们可以承受约 1000°C（或 1832°F）的高温。

研究人员发现了一种新型合金，可以取代航空和发电用燃气轮机中镍基和钴基高温合金。他们使用了一种计算框架，可以根据所涉及的原子类型预测金属相的稳定性、强度和延展性。该框架可以非常快速地测试数千种材料组合。它最初由艾姆斯实验室的研究人员开发并经过实验验证。

实验室科学家、研究团队说，燃气轮机在较高温度下运行时效率更高，约为1400°C（或2552°F）。鉴于如此高的工作温度，镍基和钴基高温合金的耐热极限一直是提高能源效率的限制因素。

“我们目前使用冷却和其他技术，试图让这些发动机在高温下运行，但最终还是受限于这些材料的熔点，”Argibay说道。“大约有九种元素的熔点远高于镍和钴，这些元素被称为难熔金属。我们现在不使用这些金属的原因是它们在低温下易碎，难以制造和成型为零件。”

解决难熔金属带来的挑战的一个方法是将它们组合成多主元合金。多主元合金不像镍基或钴基合金那样，仅仅基于一种金属将所有元素结合在一起。相反，多主元合金由三种或三种以上的元素组成，且每种元素的含量均不超过总成分的50%。

“我们逐渐认识到，将大量这些原本易碎的纯元素结合在一起，可以创造出具有独特特性的原子结构，”Argibay 说。

计算框架在确定材料及其适当的用量方面发挥了重要作用。该框架由艾姆斯实验室的两位科学家 Prashant Singh 和 Duane Johnson 开发，他们与 Argibay 合作发现了这种新合金。

辛格说： “当我们谈论三种以上的元素并将它们混合在一起时，我们谈论的是寻找数百万种组合，而当你偶然这样做时，这将花费大量的时间。”“我们整合了一套理论指导的方法，并与实验相结合。它为实验人员指明了正确的方向，帮助他们开发出具有特定性能的新型合金。”约翰逊说道。

该框架的有效性以及新型多元素合金的成功发现，使得该项目意义非凡。该框架可用于与材料发现相关的各种用途，节省时间和金钱。这种新型多元素合金的发现是提高航空航天业能源效率和成本的一项突破，并为相关领域材料和技术的进一步改进铺平了道路。

这种新型多元素合金比目前使用的合金更能适应高温变形，这意味着该材料可以暴露在更高的温度下，从而无需冷却发动机，从而避免了能量损失。

由于其独特的成分，这种合金还具备必要的延展性，使其适合采用商业化成熟工艺进行生产。例如，它可以在室温下变形，例如通过冷轧制成板材。这一工艺降低了整体制造所需的能量，并使材料保持其耐用性。其他难熔金属在制造过程中需要加热，通常高于钢和高温合金的熔点，这使得它们成型更加困难。

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