Forskere identificerer et metal, der kan modstå ultrahøje temperaturer og tryk

Japanske videnskabsmænd har identificeret et metal, der kan modstå konstante kræfter i ultrahøje temperaturer, tilbyder lovende applikationer, herunder i jetmotorer til fly og gasturbiner til elproduktion.

Den første af sin slags undersøgelse, udgivet i tidsskriftet med åben adgang Videnskabelige rapporter i juli 2018, beskriver en titaniumcarbid (TiC)-forstærket, molybdæn-silicium-bor (Mo-Si-B)-baseret legering, eller MoSiBTiC, hvis højtemperaturstyrke blev identificeret under konstante kræfter i temperaturområderne 1400 ^o C-1600 ^o C.

"Vores eksperimenter viser, at MoSiBTiC-legeringen er ekstremt stærk sammenlignet med banebrydende nikkel-baserede enkeltkrystal-superlegeringer, som almindeligvis anvendes i varme sektioner af varmemotorer, såsom jetmotorer i fly og gasturbiner til elproduktion, " sagde hovedforfatter professor Kyosuke Yoshimi fra Tohoku University's Graduate School of Engineering.

"Dette arbejde tyder på, at MoSiBTiC, som ultrahøj temperatur materialer ud over nikkel-baserede superlegeringer, er en lovende kandidat til disse ansøgninger, " tilføjede Yoshimi.

Yoshimi og kolleger rapporterer om flere parametre, der fremhæver legeringens gunstige evne til at modstå forstyrrende kræfter under ultrahøje temperaturer uden at deformere. De observerede også legeringens adfærd, når den blev udsat for stigende kræfter, og når hulrum i MoSiBTiC dannedes og voksede, resulterer i mikrorevner og endelig brud.

Varmemotorers ydeevne er nøglen til fremtidig høst af energi fra fossilt brændstof og den efterfølgende konvertering til elektrisk kraft og fremdriftskraft. Forbedringen af ​​deres funktionalitet kan afgøre, hvor effektive de er til energiomdannelse. Krybeadfærd - eller materialets evne til at modstå kræfter under ultrahøje temperaturer - er en vigtig faktor, da øgede temperaturer og tryk fører til krybedeformation. At forstå materialets krybning kan hjælpe ingeniører med at konstruere effektive varmemotorer, der kan modstå de ekstreme temperaturmiljøer.

Forskerne vurderede legeringens krybning i et spændingsområde på 100-300 MPa i 400 timer. (MPa, eller megapascal, er en enhed, der bruges til at måle ekstremt højt tryk. En MPa svarer til cirka 145psi, eller pund pr. kvadrattomme).

Alle eksperimenter blev udført i en computerstyret testrig under vakuum for at forhindre materialet i at oxidere, eller reagerer med eventuel luftfugtighed, hvilket i sidste ende kan resultere i rustdannelse.

Desuden, undersøgelsen rapporterer, at i modsætning til tidligere undersøgelser, legeringen oplever større forlængelse med aftagende kræfter. denne adfærd, de skriver, er hidtil kun observeret med superplastiske materialer, der er i stand til at modstå uventede for tidlige svigt.

Disse resultater er en vigtig indikator for MoSiBTiC's anvendelighed i systemer, der fungerer ved ekstremt høje temperaturer, såsom energikonverteringssystemer i bilapplikationer, kraftværker, og fremdriftssystemer i flymotorer og raketter. Forskerne siger, at der er behov for flere yderligere mikrostrukturelle analyser for fuldt ud at forstå legeringens mekanik og dens evne til at komme sig efter eksponering for høje spændinger såsom store kræfter under høje temperaturer.

De håber at blive ved med at forfine deres resultater i deres fremtidige bestræbelser. "Vores ultimative mål er at opfinde et nyt ultrahøjtemperaturmateriale, der er bedre end nikkelbaserede superlegeringer og erstatte højtryksturbinevinger lavet af nikkelbaserede superlegeringer med nye turbinevinger af vores ultrahøjtemperaturmateriale, " sagde Yoshimi. "For at gå derhen, som næste skridt, MoSiBTiC'ens oxidationsmodstand skal forbedres af legeringsdesign uden at forringe dens fremragende mekaniske egenskaber. Men det er virkelig udfordrende."