Японские ученые определили металл, который может выдерживать постоянные нагрузки в сверхвысоких температурах, предлагая перспективные применения, в том числе в авиационных реактивных двигателях и газовых турбинах для выработки электроэнергии.
Первое в своем роде исследование, опубликованное в журнале «Scientific Reports», описывает сплав на основе карбида титана (TiC), молибден-кремний-борон (Mo-Si-B) или MoSiBTiC, чья высокотемпературная прочность была идентифицирована при постоянных усилиях в температурных диапазонах 1400 — 1600oC.
«Наши эксперименты показывают, что сплав MoSiBTiC чрезвычайно прочен по сравнению с передовыми монокристаллическими суперсплавами на основе никеля, которые обычно используются в горячих средах тепловых двигателей, таких как реактивные двигатели самолетов и газовых турбин для выработки электроэнергии», — сказал профессор Кёсуке Йошими из Высшей инженерной школы университета Тохоку.
«Наша работа предполагает, что MoSiBTiC, как материал сверхвысокой температуры за пределами суперсплавов на основе никеля, является одним из перспективных кандидатов для этих приложений», — добавил Йошими.
Ученые сообщают о нескольких параметрах, которые подчеркивают благоприятную способность сплава противостоять разрушительным силам при сверхвысоких температурах без деформации. Они также наблюдали поведение сплава при воздействии увеличивающихся сил и при образовании и росте полостей внутри MoSiBTiC, что приводило к микротрещинам и окончательному разрыву.
Производительность тепловых двигателей является ключом к будущему сбору энергии из ископаемого топлива и последующему преобразованию в электроэнергию. Повышение их функциональности может определять, насколько они эффективны при преобразовании энергии. Поведение ползучести или способность материала выдерживать силы при сверхвысоких температурах — важный фактор, поскольку повышенные температуры и давления приводят к деформации ползучести. Понимание ползучести материала может помочь инженерам построить эффективные тепловые двигатели, способные выдерживать экстремальные температурные условия.
Исследователи оценили ползучесть сплава в диапазоне напряжений 100-300 МПа в течение 400 часов. (МПа или мегапаскаль) — это единица, используемая для измерения чрезвычайно высокого давления. Один МПа равен 10.197162 килограмм силы на квадратный сантиметр.
Все эксперименты проводились на испытательной установке с компьютерным управлением под вакуумом, чтобы предотвратить окисление материала или реакцию с любой потенциальной влажностью воздуха, что в конечном итоге может привести к образованию ржавчины.
Кроме того, в работе сообщается, что, вопреки предыдущим исследованиям, сплав испытывает большее удлинение с уменьшающимися силами. Такое поведение, о котором пишут исследователи, до сих пор наблюдалось только с суперпластичными материалами, способными противостоять неожиданному преждевременному разрушению.
Эти результаты являются важным показателем применимости MoSiBTiC в системах, которые работают при чрезвычайно высоких температурах, таких как системы преобразования энергии в автомобилях, электростанциях и силовых установках в авиационных двигателях и ракетах. Исследователи говорят, что необходимы несколько дополнительных микроструктурных анализов, чтобы полностью понять механику сплава и его способность восстанавливаться после воздействия высоких напряжений, таких как большие силы при высоких температурах.
Shiho Yamamoto Kamata et al, Ultrahigh-temperature tensile creep of TiC-reinforced Mo-Si-B-based alloy, Scientific Reports (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-28379-w