Sandia Ulusal Laboratuvarları’ndan araştırmacılar, dünya sera gazı emisyonlarını azaltmak için çözümler ararken, yeni bir 3D baskılı süper alaşımın enerji santrallerinin daha az karbon yayarken daha fazla elektrik üretmesine yardımcı olabileceğini gösterdi.
Yüksek performanslı bir metal alaşım ya da süper alaşım, Ames Ulusal Laboratuvarı, Iowa Eyalet Üniversitesi ve Bruker Corp. araştırmacılarıyla birlikte çalışan Sandia bilim insanları tarafından 3D yazıcı kullanılarak oluşturuldu. Bu süper alaşım, şu anda gaz türbini makinelerinde kullanılan son teknoloji malzemelerden daha güçlü ve daha hafif olmasını sağlayan alışılmadık bir bileşime sahiptir. Bulgular, henüz keşfedilmemiş ve enerji sektörünün yanı sıra havacılık ve otomobil endüstrileri için de kapsamlı etkileri olabilecek yeni bir ilgili alaşım sınıfına işaret ediyor.
Sandia’dan bilim adamı Andrew Kustas, “Bu malzemenin daha önce ulaşılamayan yüksek mukavemet, düşük ağırlık ve yüksek sıcaklık esnekliği kombinasyonlarını elde edebileceğini gösteriyoruz” dedi. “Katmanlı üretim stratejisinin elde ettiğimiz başarının bir kısmında rol oynadığına inanıyoruz.”
Enerji santrali türbinleri için yüksek ısıya dayanıklı malzeme gereklidir.
ABD Enerji Bilgi İdaresi’ne göre, fosil yakıt veya nükleer enerji tesisleri ülkede kullanılan elektriğin yaklaşık %80’ini üretiyor. Isı, her iki tür tesiste de güç üreten türbinleri döndürmek için kullanılır. Metal türbin parçalarının ne kadar ısınabileceği, bir enerji santralinin ne kadar verimli olabileceği konusunda bir sınıra sahiptir.
Çalışmada yer almayan Sandia nükleer mühendisi Sal Rodriguez, türbinlerin daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilmesi halinde “çevreye yayılan atık ısı miktarını azaltırken daha fazla enerjinin elektriğe dönüştürülebileceğini” söyledi.
42 alüminyum, %25 titanyum, %13 niyobyum, %8 zirkonyum, %8 molibden ve %4 tantal içeren yeni süper alaşımın 800 santigrat derecede (1,472 Fahrenheit), şu anda türbin parçalarında kullanılanlar da dahil olmak üzere diğer birçok yüksek performanslı alaşımdan daha güçlü olduğu ve oda sıcaklığına soğutulduktan sonra bile daha güçlü kaldığı Sandia’nın deneyleriyle kanıtlandı.
Rodriguez, bu sayede hem çevrenin hem de daha uygun fiyatlı enerjinin fayda sağlayacağını söyledi.
Keşifler sadece enerji sektörü için faydalı olmayabilir. Aşırı ısı altında gücünü koruyan hafif malzemeler havacılık uzmanları tarafından aranıyor. Ames Laboratuvarı bilim adamlarından Nic Argibay’a göre, Ames ve Sandia bu tür alaşımların otomobil sektöründe nasıl kullanılabileceğini araştırmak için iş dünyasıyla işbirliği yapıyor.
Argibay, “Şu anda üretim ve ölçeklenebilirlik zorluklarını karşılamak için bu yeni alaşım sınıfını geliştiriyoruz” diye ekledi. “Ames Laboratuvarı’nın öncülük ettiği elektronik yapı teorisi, bu değerli özelliklerin atomik kökenleri hakkında bir fikir verebildi.”
Çalışmanın finansmanı Sandia’nın Laboratuvara Yönelik Araştırma ve Geliştirme programı ve Enerji Bakanlığı tarafından sağlandı.
Malzeme biliminin evrimi keşiflerle taçlandırılmaktadır
Katmanlı üretim olarak bilinen üretim süreci, genellikle 3D baskı olarak bilinir, uyarlanabilir ve düşük enerjili olmasıyla ünlüdür. Baskıda genellikle plastik veya metal gibi bir maddeyi hızla eritmek için yüksek güçlü bir lazer kullanılır. Daha sonra, erimiş malzeme hızla soğuyup sertleştiğinde, yazıcı malzemeyi katmanlar halinde biriktirerek bir ürün oluşturur.
Ancak bu yeni çalışma, teknolojinin hızlı ve etkili bir şekilde yeni malzemeler yaratmak için de kullanılabileceğini gösteriyor. Sandia ekibinin üyeleri, metal tozlarını hızla bir araya getirmek ve bir örneğini oluşturmak için bir 3D yazıcı kullandı.
Hiçbir metal malzemenin yarısından fazlasını oluşturmadığı için Sandia’nın buluşu, alaşımların geliştirilme biçiminde de temel bir değişiklik anlamına geliyor.
Buna karşılık çeliğin bileşimi, karbon ve diğer bileşenlerle karıştırılmış kabaca %98 demirden oluşur.
Kustas, “bir tutam karbonla demirin dünyayı değiştirdiğini” belirtmiştir. Birçok örneğimizin de gösterdiği gibi, değerli mühendislik alaşımları oluşturmak için sıklıkla iki veya üç elementi karıştırıyoruz. Artık tek bir malzemede dört, beş veya daha fazlasını ele almaya başlıyoruz. Ve bu noktada, malzeme bilimi ve metalürji açısından işler gerçekten ilgi çekici ve zor olmaya başlıyor.
Maliyet ve ölçeklenebilirlik ele alınması gereken engellerdir.
Grup şimdi, son teknoloji bilgisayar modelleme yaklaşımlarının, katmanlı üretime uygun yeni bir yüksek performanslı süper alaşım sınıfının daha fazla üyesinin keşfedilmesine yardımcı olup olamayacağını araştırmakla ilgileniyor.
Projede doğrudan yer almayan atomik ölçekli bilgisayar modelleme konusunda otorite olan Sandia bilim adamı Michael Chandross’a göre, “Bunlar son derece karmaşık karışımlar.” Tüm bu metaller çok küçük, hatta atomik düzeyde etkileşime giriyor ve sonuçta bir metalin mukavemetini, dövülebilirliğini, erime sıcaklığını ve diğer özelliklerini belirleyen de bu etkileşimler. Modelimiz, tüm bunları hesaplayarak ve yeni bir malzemenin performansını daha onu yaratmadan önce öngörmemizi sağlayarak metalürjide yer alan tahminlerin çoğunu ortadan kaldırıyor.
Kustas önümüzde zorluklar olduğunu belirtti. Potansiyel sorunlardan biri, yeni süperalaşımın küçük çatlaklar olmadan büyük miktarlarda üretilmesinin zor olacağıdır, bu da eklemeli üretimde yaygın bir sorundur. Alaşımın bileşenlerinin pahalı olduğunu da sözlerine ekledi. Bu nedenle alaşım, maliyetleri düşürmenin en önemli öncelik olduğu tüketici ürünleri için uygun olmayabilir.
Tüm bu sınırlamalar göz önüne alındığında Kustas, teknolojinin ölçeklendirilip büyük parçalar üretmek için kullanılabilmesinin oyunun kurallarını değiştireceğini belirtti.
Kaynak: eurekalert.org/news-releases/980038 – JOURNAL Applied Materials Today
