新一代涡轮机的诞生之路

在热能发电过程中，通常用水作为传热工质。首先人们将水加温加压产生热能，然后由涡轮机将热能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。大型涡轮机宛如能源生产背后的工蜂，将核燃料、太阳能和化石燃料（如煤和天然气）的热能转化为电能。

在水资源日益匮乏的今天，超临界二氧化碳（sCO2）因其性质稳定，并可通过减压回收，被认为是一种潜在的、更有效的传热工质，而且它允许使用更小的涡轮机械。但涡轮机叶片长期暴露在sCO2中，会被腐蚀和产生碳渗入现象，对电力生产造成负面影响。

Michael Lance 博士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，他的工作就是分析涡轮机的合金叶片受sCO2的影响。他希望能够建立一个模型，以便根据合金在各种环境条件下的成分来检测其受腐蚀和碳渗入的程度。而唯有了解其成因，才能为设计开发更经久耐用的涡轮机提供有力的技术支持。

Lance 博士团队曾尝试用电子显微镜获取元素的特征X 射线来进行腐蚀表征。但是像碳这样的轻元素，其谱峰通常会变弱，导致无法检测出正确结果。而对电子显微镜本身也会造成碳污染。另一方面，合金受腐蚀的面积（X-Y 维度）通常比较容易测量，但是深度方向（Z轴）的研究就比较困难了，而这正是腐蚀扩散的主要方向。

Lance 博士使用射频辉光放电技术 (GD-OES) 进行合金的腐蚀表征。该技术使用等离子体快速轰击样品表面镀层溅射出原子，然后对原子的发射谱线进行检测，以此获得固体样品中元素深度分布。

具体工作原理如下：
辉光放电腔室内充满低压氩气，当施加在放电两极的电压达到一定值，超过激发氩气所需的能量即可形成辉光放电，放电气体离解为正电荷离子和自由电子。在电场的作用下，正电荷离子加速轰击到（阴极）样品表面，产生阴极溅射。在放电区域内，溅射的元素原子与电子相互碰撞被激化而发光，释放出原子特征谱线。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。

为了使合金具有更好的耐磨性和耐腐蚀性，往往会在其表面附上一层氧化膜。在不同气压和温度条件下，氧化膜会随之变化。而合金一旦受到腐蚀，氧化膜中的合金元素就会减少（合金降解）。Lance博士告诉我们：“利用GDS技术，我们可以测量到表面氧化膜的元素含量变化，这是使用其他技术很难实现的。”

GD-OES技术在元素深度剖析的优秀表现，令研究团队大为振奋，“只有 GD-OES技术能做到，它对于研究腐蚀很有帮助！” Lance 博士说。他希望能对合金的降解情况进行量化，从而建立起数据模型。在超临界二氧化碳（sCO2）工质发电领域，这一研究对提高涡轮机的寿命和性能也是至关重要。

除了材料腐蚀表征以外，Lance 博士研究项目的另一个重点是碳渗入研究。团队同样计划建立碳渗入量随时间和温度变化的数据模型，以预测长期碳渗入的结果。“来自sCO2的二氧化碳会在合金表面分解，产生的碳会渗入合金，”他说道。“这种长期的渗透会使合金及其制品变脆。所以对碳渗入的了解也同样不容忽视。”

在Lance博士的实验室有一台 HORIBA GD-Profiler 2™ 辉光放电光谱仪。该光谱仪拥有GD-OES 技术，可供实验室人员进行快速、同步元素分析，是薄膜和厚膜表征以及工艺研究的理想工具。

Lance博士的工作介于基础研究和应用研究之间。一方面，他的团队与业界保持着密切联系，相关研究成果将被私人实体纳入工业设计，这也是Lance博士项目资金的来源。另一方面，Lance博士所在的橡树岭国家实验室，由美国能源部赞助成立，政府也以 “基础能源科学”为名资助实验室的其他研究人员。

不管是基础研究还是应用研究，科研人员的努力都是为了人类走向更加幸福的生活。所以，Lance 团队为了提升涡轮机的寿命和性能，制造更好的燃气轮机，已经针对铁和镍基合金探索了 50 多年，而这一项目仍将继续稳步前进。为他们的坚持而感动，更期待有更多能源开发手段在未来开花结果！