3D프린터를 사용하여 만든 이 초합금은 기존 터빈 기계에 사용되는 표준 재료보다 가볍고 강한 재료를 형성하는 6가지 요소의 혼합으로 구성된다. 강력한 초합금은 접근 방식이 성공적으로 확장될 수 있다면 산업에서 비용과 탄소 배출량을 모두 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

과제: 재료 과학의 세계에서 최근 몇 년 동안 새로운 금속 합금에 대한 연구가 가열되고 있다. 100년 이상 동안 우리는 제조 및 건설 산업의 중추를 형성하기 위해 98% 철로 구성된 강철과 같은 비교적 단순한 합금에 의존해 왔다. 그러나 오늘날의 과제는 더 많은 것을 요구한다. 더 높은 온도를 견딜 수 있고 스트레스 하에서도 강하면서도 여전히 가벼운 합금이 필요하다.

엔지니어들은 기계 에너지를 전기로 변환하는 데 도움이 되는 발전소의 회전 기계인 터빈에 사용되는 재료를 최적화하기 위해 오랫동안 노력해 왔다. 그러나 니켈 및 코발트 기반 초합금과 같은 최첨단 소재도 극도로 높은 온도에 노출되면 성능이 저하되고 성능이 저하되는 경향이 있다.

이것이 바로 과학자들이 지난 20년 동안 최대 6개의 서로 다른 금속으로 구성된 복잡한 합금을 실험하는 한 가지 이유이다. 초합금을 구성하는 요소의 정확한 비율을 조정함으로써 과학자들은 새로운 원자 수준의 상호 작용이 발생하여 유익한 특성을 발견할 수 있기를 희망한다. 그러나 다양한 비율의 원소 조합이 거의 무한하므로 이러한 합금을 특정 응용 분야에 맞게 최적화하는 것은 상당한 과제이다.

혁신: 유망한 접근 방식 중 하나는 3D프린팅 기술을 사용하는 것이다. 이 방법을 통해 연구자들은 서로 다른 금속의 상대적인 비율을 정확하게 제어할 수 있다. 그들은 강력한 레이저를 사용하여 고체 분말 형태의 금속을 빠르게 녹인 다음 얇은 층에 증착함으로써 이를 달성한다.

뉴멕시코 주 앨버커키에 있는 산디아 국립 연구소의 앤드류 쿠스타스(Andrew Kustas)가 이끄는 연구팀은 이 기술을 활용하여 고성능 6원소 초합금을 개발했다. 42% 알루미늄, 25% 티타늄, 13% 니오븀, 8% 지르코늄, 8% 몰리브덴 및 4% 탄탈륨으로 만들어진 이 합금은 강하고 가벼우며 내열성이 뛰어나다.

이러한 특성은 전 세계 발전량의 약 73%를 차지하는 발전소에 사용되는 터빈에 특히 중요하다. 결국, 터빈을 구동하는 가스의 온도가 높을수록 터빈이 더 빨리 회전하고 더 효율적이 된다.

발전소 터빈의 일반적인 온도인 800°C(1472°F)로 가열했을 때 이 초합금은 유사한 목적으로 설계된 다른 많은 합금보다 더 강하고 더 가볍다. 이 획기적인 발전은 특히 재료가 강하고 가벼우며 극한의 온도 변화에 대한 내성이 필요한 항공 우주 분야에서 동력 터빈을 넘어서는 잠재적인 응용 분야를 제안한다.

연구진은 또한 초합금의 성능이 특정 요소 조합이 열 에너지를 전도하는 방법을 예측하도록 설계된 컴퓨터 모델에서 생성된 예측과 상관 관계가 있음을 발견했다. 이러한 예측은 미래의 컴퓨터 모델에서 어떤 요소 조합이 새롭고 유용한 초합금을 만들 수 있는지 예측하는 데 도움이 될 수 있음을 시사한다.

최근에 생성된 초합금을 주류 제조에 도입하기 위해 팀은 완제품에 마이크로 규모의 균열이 포함되지 않도록 하면서 3D프린팅 프로세스를 경제적으로 확장할 수 있는 방법을 찾고자 한다. 이러한 문제를 극복하면 일상 생활에 동력을 공급하는 기계를 더 강력하고 효율적이며 환경에 덜 해롭게 만드는 데 도움이 될 수 있다.