制造更好的燃气轮机

大型陆基燃气轮机是能源生产背后的工蜂。这些设备将核燃料、太阳能和化石燃料（如煤和天然气）的热量转化为电能。

这些热源产生的热能加热工作流体，工作流体将热量转化为涡轮机的旋转运动。这一运动又为我们的电网发电。

研究人员正在将超临界二氧化碳（sCO2）作为一种工作流体用于一系列发电应用。超临界二氧化碳在低临界温度和压力下作为传热流体工作。它是一种友好且完全可回收的溶剂，性质稳定，可通过减压回收，是一种潜在的更有效的工作流体。

超临界二氧化碳的真正优势是它允许使用更小的涡轮机械。

但与其他工作流体一样，超临界二氧化碳在分子水平上与涡轮叶片相互作用。它既像气体又像液体。超临界二氧化碳具有液体的许多传热特性。腐蚀和碳渗入是其中两个。

这就是 Michael Lance 博士的工作。他是橡树岭国家实验室材料科学与技术部门的高级研发科学家。

他的工作是分析涡轮机上结构合金浸没在超临界二氧化碳中的共存。他想记录合金暴露在工作流体中时的腐蚀和碳渗入。他希望建立一个模型，以便根据合金在各种环境条件下的成分来预测这些情况。

“我们正在测试这些知名的成分，以了解它们在这些独特的温度和压力环境下的表现。”

Lance 使用 辉光放电发射光谱法 (GD-OES) 来表征超级合金和不锈钢的腐蚀。GD-OES 是一种通过检测溅射等离子体中原子的发射谱线来测量固体样品中元素深度分布的技术。通过等离子体快速轰击待分析样品表面镀层并溅射出粒子。

GD-OES 的基础是使用低压氩气，用电场诱导的射频等离子体或辉光放电对表面进行溅射。氩与表面碰撞，从样品表面溅射出原子，然后进入等离子体。溅射的原子与高能电子和气体原子碰撞并被激发。

激发态的原子通过发射光子回到基态，释放出原子特征光谱。光栅分光光谱仪使用光电倍增管测量特征发射光谱。测量的强度与每种元素的溅射原子数成正比。

合金通常是不锈钢组分。

Lance 说，很容易测量 X-Y 维度，也就是暴露在超临界二氧化碳中的合金表面。但是Z轴，材料深度方向的研究就会很难。

“对于模型而言，我们感兴趣的是这些元素的分布。它们在暴露时是如何扩散的，” Lance 说道。“大部分变化都发生在Z 方向，也就是深度。这正是 GD-OES 能测量的范围，因此它对于研究腐蚀非常有用。”

Lance 将这些化合物暴露在不同大气压的高温下，并进行元素深度剖析。

“我们可以测量氧化膜的成分，但更感兴趣的是腐蚀下的金属内部，” Lance 说道。“表面形成的氧化膜会消耗合金的元素。”

GD-OES 对于大光斑测量深度分布非常有用。

“我们可以获得材料的平均信号，并看到使用其他技术很难看到的非常微小的变化，”他说。

Lance 想要量化任何潜在的合金降解。超临界二氧化碳环境特别关心碳渗入合金，研究人员已经在铁和镍基合金中观察了 50 多年。它会影响涡轮机的寿命和性能。

橡树岭国家实验室是美国能源部赞助的位于田纳西州的科学技术中心。承包商 UT-Battelle 将实验室作为联邦资助的研发中心进行管理和运营。

该实验室已参与了各种各样的科学研究工作，从改善作物基因到核聚变研究。

Lance 研究的一个重点是测量碳渗入量随时间和温度变化的函数，以预测长期行为。长期的，如30 年寿命的聚光太阳能发电应用。

“问题是二氧化碳（来自超临界二氧化碳）会在合金表面分解，由此产生的碳实际上会渗入合金，”他说道。“那样会很糟糕，它会使样品变脆。所以希望对碳渗入有更多的了解。”

我们已经尝试了其他表征腐蚀的方法。电子显微镜可以获取存在元素的特征的 X 射线。但是对于碳这样的轻元素来说不太适用。

这往往会导致峰变弱，从而降低检出限。电子显微镜本身也会带来碳污染。多年来，研究人员一直使用 GD-OES 来测量腐蚀样品的浓度深度剖析。

Lance 的工作介于基础研究和应用研究之间，产生的成果被私人实体纳入工业设计。Lance 计划的资金源自应用项目。他的团队与业界保持密切联系。

“他们会告诉我们对什么感兴趣，以及我们需要在什么地方发力以满足他们的需求。能源部认为我们的研究归属于应用科学。但对于大多数人和政治家来说，他们会认为我们所开展的是基础研究。所以，这取决于你的视角。”

政府通过一条名为基础能源科学的线路资助实验室的其他研究人员。

“他们在研究一些异想天开的事情，肯定不会成功。” Lance 说道。“也许 30 年后会有人使用它。因此，我们更接近行业目前感兴趣的领域。然而，从行业的角度来看，我们还是比较基础的。”

Lance 在他的实验室有一台 HORIBA GD-Profiler 2™ 光谱仪，使用 GD-OES 进行深度分析。它提供快速、同步的分析，是薄膜和厚膜表征以及工艺研究的理想工具。

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