在全世界都在寻找减少温室气体排放的方法之际，桑迪亚国家实验室的研究人员表明，一种新的3D打印高温合金可以帮助发电厂产生更多的电力，同时减少碳排放。

桑迪亚的科学家与艾姆斯国家实验室、爱荷华州立大学和布鲁克公司的研究人员合作，使用3D打印技术制造了一种高性能金属合金或者说高温合金，由于这种合金不同寻常的成分，使其比目前应用于燃气轮机上的*先进的材料要更坚固、更轻。这一发现可能会对能源行业、航空航天和汽车行业产生广泛的影响，并预示着一类新的合金将被发现。

桑迪亚实验室的科学家Andrew Kustas表示：“我们正在证明，这种合金可以实现之前材料无法实现的高强度、质轻和高温弹性的组合。取得这一成就的部分原因在于采用了增材制造的方法。”

该团队的这一研究成果发表于《Applied Materials Today》期刊。

耐高温材料，对发电厂涡轮机至关重要

根据美国能源信息署的数据，美国约80%的电力来自化石燃料或核电站。这两种类型的设施都是依靠热量来驱动涡轮发电，所以发电厂的效率就受到热金属涡轮部件温度的限制。桑迪亚核工程师Sal Rodriguez虽然没有参与这项研究，但他解释道：“如果涡轮机能够在更高的温度下运行，那么更多的能量可以转化为电能，同时还可以减少释放到环境中的废热。”

桑迪亚的实验表明，这种成分为42%铝、25%钛、13%铌、8%锆、8%钼和4%钽的新型高温合金，在800摄氏度下比其他大多数合金（包括目前应用于涡轮部件的高性能合金）都更坚固。

Rodriguez表示：“这对更加经济的能源和环境是双赢的。”

能源并不是*能从这些发现中受益的行业。航空航天的研究人员也一直在寻找高温下可保持坚固的轻质材料。此外，艾姆斯实验室的科学家Nic Argibay表示，艾姆斯和桑迪亚实验室正在与制造行业共同探索此类合金如何应用于汽车业。

Argibay解释说：“电子结构理论能够指导艾姆斯实验室的科研人员在原子层面上对这些材料属性的理解，我们现在正在优化这类新型合金，以应对规模化生产的挑战。”

新发现改变材料科学

增材制造，也称为3D打印，是一种常用且节能的制造方法。这种打印技术是使用高功率激光快速熔化材料，通常是塑料或金属。然后，打印机将材料分层沉积，在熔融材料快速冷却和固化时形成部件。

在*新的研究中表明，这项技术也可以作为一种快速、有效的制造新材料的方法被重新利用。桑迪亚团队成员使用3D打印机快速熔化金属粉末，然后即时打印出样品。

桑迪亚实验室的发现也代表了合金发展的一个关键转变，因为该材料中没有一种金属成分超过整体的50%。相比之下，工业材料钢大约是98%的铁与碳及其他元素结合在一起的。

Kustas说道：“铁和一小撮碳改变了世界。我们有很多将两种或三种元素结合起来制造有用工程合金的例子。现在，我们开始在一种材料中深入到四种或五种以上的元素。从材料科学和冶金学的角度来看，这才是真正开始变得有趣和富有挑战性的。”

规模化生产和成本是需要面对的挑战

接下来，该团队探索先进的计算机建模技术是否能帮助研究人员发现更多新型高性能增材制造高温合金。

桑迪亚实验室的原子级计算机建模专家Michael Chandross说：“这些高温合金都是极其复杂的混合物，所有金属成分都在微观甚至原子水平上相互作用，正是这些相互作用决定了材料的强度、延展性等。我们的模型省去了很多冶金学的猜测，因为它可以计算所有结果，使我们能够在制造新材料之前预测其性能。”

Kustas认为，未来还有很多挑战。首先，很难保证在没有微观裂纹的情况下，大批量生产这种新型高温合金，这是增材制造中的一个普遍难题。还有就是制造这种合金的材料很昂贵。因此，这种合金可能不适用于关注降低成本的消费品。

Kustas表示：“虽然目前存在这些限制，但如果这些问题一旦被解决，我们有了规模化的生产能力，这将改变规则。”