La 'superaleación' fabricada con una impresora 3D podría reducir las emisiones de las centrales eléctricas

Crédito de la imagen: Craig Fritz, Laboratorios Nacionales Sandia

Por el personal editorial de E&T

Publicado el lunes 20 de febrero de 2023

Una nueva “superaleación” impresa en 3D podría ayudar a las centrales eléctricas a generar más electricidad y al mismo tiempo producir menos carbono.

Un grupo de científicos de los Laboratorios Nacionales Sandia, el Laboratorio Nacional Ames, la Universidad Estatal de Iowa y Bruker Corp., todos en EE. UU., utilizaron una impresora 3D para crear una aleación de metal de alto rendimiento, o superaleación, con una composición inusual que la hace más fuerte. y más ligero que los materiales de última generación utilizados actualmente en la maquinaria de turbinas de gas.

Los hallazgos podrían tener amplios impactos en todo el sector energético, así como en las industrias aeroespacial y automotriz, y apuntan hacia una nueva clase de aleaciones similares que aún no se han descubierto.

"Estamos demostrando que este material puede acceder a combinaciones de alta resistencia, bajo peso y resistencia a altas temperaturas que antes no se podían obtener", dijo el científico de Sandia, Andrew Kustas. "Creemos que parte de la razón por la que logramos esto es por el enfoque de fabricación aditiva".

Tanto las plantas de energía nuclear como las de combustibles fósiles dependen del calor para hacer girar turbinas que generan electricidad. Pero la eficiencia de las centrales eléctricas está limitada por lo calientes que pueden llegar a ser las piezas metálicas de las turbinas.

Crédito de la imagen: Craig Fritz, Laboratorios Nacionales Sandia

Si las turbinas pueden funcionar a temperaturas más altas, entonces se puede convertir más energía en electricidad y al mismo tiempo reducir la cantidad de calor residual liberado al medio ambiente.

La nueva superaleación, compuesta por 42 por ciento de aluminio, 25 por ciento de titanio, 13 por ciento de niobio, 8 por ciento de circonio, 8 por ciento de molibdeno y 4 por ciento de tantalio, era más resistente a 800°C que muchas otras superaleaciones de alto rendimiento. aleaciones, incluidas las que se utilizan actualmente en piezas de turbinas, y aún más fuertes cuando se devuelve a temperatura ambiente.

"Por lo tanto, esto es beneficioso para todos, ya que se trata de una energía más económica y para el medio ambiente", afirmó Sal Rodríguez, un ingeniero nuclear de Sandia que no participó en la investigación.

Los investigadores aeroespaciales que buscan materiales livianos que se mantengan fuertes a altas temperaturas también podrían beneficiarse de la superaleación.

La impresión 3D ya se utiliza ampliamente como método de fabricación versátil y energéticamente eficiente. Utiliza un láser de alta potencia para fundir instantáneamente un material, generalmente un plástico o un metal, que luego se deposita en capas para construir un objeto a medida que el material fundido se enfría y solidifica rápidamente.

Los investigadores reutilizaron la tecnología como una forma rápida y eficiente de crear nuevas aleaciones mediante el uso de una impresora 3D para fundir metales en polvo y luego producir inmediatamente una muestra del mismo.

"Tenemos muchos ejemplos en los que hemos combinado dos o tres elementos para crear una aleación de ingeniería útil", dijo Kusta. “Ahora estamos empezando a incluir cuatro, cinco o más en un solo material. Y ahí es cuando realmente empieza a volverse interesante y desafiante desde la perspectiva metalúrgica y de la ciencia de los materiales”.

En el futuro, el equipo está interesado en explorar si las técnicas avanzadas de modelado por computadora podrían ayudar a los investigadores a descubrir más miembros de lo que podría ser una nueva clase de superaleaciones de alto rendimiento producidas mediante fabricación aditiva.

"Se trata de mezclas extremadamente complejas", afirmó el científico de Sandia, Michael Chandross, que no participó directamente en el estudio. “Todos estos metales interactúan a nivel microscópico, incluso atómico, y son esas interacciones las que realmente determinan qué tan fuerte es un metal, qué tan maleable es, cuál será su punto de fusión, etc.

"Nuestro modelo elimina muchas conjeturas de la metalurgia porque puede calcular todo eso y permitirnos predecir el rendimiento de un nuevo material antes de fabricarlo".

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