Делая кайф

Oct 25, 2023

Национальные лаборатории Айдахо, Айдахо-Фолс, Айдахо

Многие из сегодняшних высокопроизводительных технологий — ядерные реакторы, космические корабли, концентрированные солнечные электростанции и водородные элементы — требуют передовых материалов. Усовершенствованные означает, что они изготовлены из металлов и керамики, которые могут выдерживать экстремальные условия или соответствовать строгим спецификациям.

Раньше эти современные материалы обычно изготавливались из порошка, который засыпался в форму, подвергался воздействию высокого давления и медленно нагревался в процессе, называемом горячим прессованием. Однако горячее прессование приводит к отходам тепла, что приводит к высоким затратам. Эти затраты ограничивают широкое использование современных материалов в отраслях, производящих предметы повседневного обихода, такие как автомобили.

Совсем недавно инженеры разработали экономичный процесс, называемый искровым плазменным спеканием (SPS). Вместо тепла SPS пропускает электричество через матрицу, а иногда и сам материал, чтобы сплавить молекулы порошкообразных металлов, керамики или их смеси.

Теперь Национальная лаборатория Айдахо разработала возможности мирового класса, чтобы помочь промышленности разработать эффективные процессы производства SPS. Новейшее пополнение лаборатории, одна из крупнейших машин такого типа в мире, позволяет производить новые материалы в промышленно значимых масштабах.

«Процесс SPS намного быстрее, гораздо более энергоэффективен и позволяет лучше сохранять первоначальные, превосходные свойства порошка в полностью спеченной детали», — сказал Трой Холланд, старший научный сотрудник/инженер по материалам SPS в INL.

Сохранение свойств исходного порошкообразного материала важно из-за зачастую жестких требований к характеристикам этих деталей. «Если вы нагреваете их в течение длительного времени, вы часто теряете преимущества, которые были у исходного порошка», — сказал Холланд.

INL спроектировала и изготовила четыре специализированных машины SPS, которые варьируются от поддержки небольших лабораторных экспериментов до крупноформатных промышленных систем с высокой производительностью.

Как следует из названия, Nano-SPS — это небольшая машина, которая может сплавлять металлический или керамический порошок для изготовления деталей масштаба от нано- до микрометра. Nano-SPS как таковой не предназначен для создания коммерческих деталей, но представляет собой экспериментальную машину, которая может помочь исследователям прогнозировать и контролировать наноструктуру и микроструктуру компонента, наблюдая за тем, как порошковые материалы текут и взаимодействуют с нанометровым разрешением.

Эксперименты по рентгеновской и нейтронной дифракции с использованием установки Nano-SPS предоставляют данные в реальном времени о химической и микроструктурной эволюции во время процесса SPS.

Понимание того, как молекулы порошка взаимодействуют во время SPS, от атомных связей до локальных наноструктур и микроструктур, важно, поскольку изменения в этих масштабах могут существенно повлиять на производительность.

«Наша цель — понять и контролировать процесс настолько хорошо, чтобы иметь возможность контролировать локальную микроструктуру деталей», — сказал Холланд. «Это позволяет нам свести к минимуму вариации или воспользоваться преимуществами локальных преднамеренных вариаций внутри детали максимально повторяемым образом. производить детали предварительной квалификации».

Следующая машина, Micro-SPS, может производить детали размером примерно от микрометра до сантиметра, а также полезна для понимания эволюции микроструктуры. Micro-SPS используется для определения данных о кинетике спекания сыпучего материала. Это достигается путем предоставления инструментов для поддержки рентгеновской и нейтронной радиографии в реальном времени при массовой обработке SPS.

SPS также является новой технологией производства современного ядерного топлива. Система радиологического искрово-плазменного спекания (РСПС) на Комплексе материалов и топлива компании INL представляет собой специально разработанную систему, интегрированную в радиологический рабочий перчаточный бокс.

DCS-800 — это более крупный станок SPS, который может изготавливать детали размером до одного квадратного метра. DCS-800, расположенный в лаборатории энергетических систем INL, работает при высокой мощности, высоких температурах и высоком давлении. Это позволяет демонстрировать материалы, обнаруженные в лабораторных условиях, в промышленно значимых масштабах.