Ученые нашли сплав, выдерживающий давление при сверхвысоких температурах

Японские ученые определили метал, способный выдерживать постоянное давление при сверхвысоких температурах. Это открывает многообещающие возможности для новых разработок в области реактивных двигателей и газовых турбин для генерации электроэнергии.

Первое в своем роде исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, описывает сплав на основе карбида титана (TiC) и легированного молибден-кремний-бора (Mo-Si-B), или MoSiBTiC, высокотемпературная прочность которого определили постоянным воздействием при температурах от 1400°C до 1600°C.

"Наши эксперименты показывают, что сплав MoSiBTiC невероятно прочен, по сравнению с передовыми однокристальными никелевыми суперсплавами, часто используемыми в горячих отсеках тепловых двигателей, вроде авиационных реактивных двигателей и газовых турбин для генерации электроэнергии, - говорит ведущий автор исследования профессор Киосуке Ёсими из Высшей инженерной школы Университета Тохоку. – Эта работа предполагает, что MoSiBTiC, будучи высокотемпературным материалом, не входящим в число суперсплавов на основе никеля, - многообещающий кандидат для применения в этой области".

Ёсими и его коллеги сообщили о нескольких свойствах, указывающих на выдерживание сплавом разрушительных сил при сверхвысоких температурах без деформации. Они также наблюдали поведение сплава при воздействии на него возрастающих сил, когда в нем стали образовываться и расти трещины до тех пор, пока он в итоге не разломался.

Эффективность тепловых двигателей – ключ к будущей добыче энергии из ископаемого топлива и его дальнейшего преобразования в электроэнергию и двигательную силу. Улучшение их функциональности может определить, насколько эффективно мы преобразуем энергию. Ползучесть – способность материала выдерживать воздействие при сверхвысоких температурах – является важным фактором, так как повышенные температуры и давление приводят к деформации. Понимание ползучести материала может помочь инженерам сконструировать эффективные тепловые двигатели, способные выдерживать экстремальные температурные условия.

Исследователи испытывали ползучесть сплава на протяжении 400 часов при давлениях от 100 до 300 МПа. Все эксперименты проводились на управляемой компьютером испытательной установке в вакууме для предупреждения окисления материала и попадания на него влаги, из-за которой на сплаве могла образоваться ржавчина.

Также, в исследовании говорится, что сплав испытывает большее удлинение при уменьшении воздействия. Ученые объясняют, что ранее такое поведение наблюдалось только у сверхпластичных материалов, способных противостоять преждевременному разрушению.

Эти обнаружения являются важным знаком для применимости MoSiBTiC в системах, функционирующих на экстремально высоких температурах, вроде систем преобразования энергии в автомобилях, силовых установок и двигательных систем в авиационных двигателях и ракетах. Исследователи сообщают, что им еще необходимо провести несколько дополнительных микроструктурных анализов для полного понимания механики сплава и его способности восстанавливаться после воздействия высоких давлений при высоких температурах.

"Наша конечная цель – изобрести новаторский сверхвысокотемпературный материал, превосходящий суперсплавы на основе никеля, и заменить лопасти турбин высокого давления, сделанные из никелевых суперсплавов, новыми турбинными лопастями из сверхвысокотемпературного материала, - говорит Ёсими. – Чтобы сделать это, следующим шагом мы должны улучшить устойчивость MoSiBTiC к окислению, разработав сплав, не повредив его исключительные механические свойства. Но, это действительно сложная задача".