Japanse wetenschappers hebben een metaal geïdentificeerd dat bestand is tegen constante krachten bij ultrahoge temperaturen. biedt veelbelovende toepassingen, onder meer in straalmotoren van vliegtuigen en gasturbines voor de opwekking van elektriciteit.

De eerste studie in zijn soort, gepubliceerd in het open access tijdschrift Wetenschappelijke rapporten in juli 2018, beschrijft een met titaniumcarbide (TiC) versterkt, op molybdeen-silicium-boor (Mo-Si-B) gebaseerde legering, of MoSiBTiC, waarvan de sterkte op hoge temperatuur werd geïdentificeerd onder constante krachten in de temperatuurbereiken van 1400 ^O C-1600 ^O C.

"Onze experimenten tonen aan dat de MoSiBTiC-legering extreem sterk is in vergelijking met de allernieuwste op nikkel gebaseerde monokristallijne superlegeringen, die vaak worden gebruikt in hete delen van warmtemotoren zoals straalmotoren van vliegtuigen en gasturbines voor de opwekking van elektrische energie, " zei hoofdauteur professor Kyosuke Yoshimi van de Graduate School of Engineering van Tohoku University.

"Dit werk suggereert dat de MoSiBTiC, als materialen bij ultrahoge temperaturen die verder gaan dan op nikkel gebaseerde superlegeringen, is een veelbelovende kandidaat voor die toepassingen, ’ voegde Yoshimi eraan toe.

Yoshimi en collega's rapporteren verschillende parameters die het gunstige vermogen van de legering benadrukken om verstorende krachten onder ultrahoge temperaturen te weerstaan ​​zonder te vervormen. Ze observeerden ook het gedrag van de legering bij blootstelling aan toenemende krachten en wanneer holtes in MoSiBTiC zich vormden en groeiden, resulterend in microscheuren en uiteindelijk scheuren.

De prestaties van warmtemotoren zijn essentieel voor de toekomstige oogst van energie uit fossiele brandstoffen en de daaropvolgende conversie naar elektrisch vermogen en voortstuwingskracht. De verbetering van hun functionaliteit kan bepalen hoe efficiënt ze zijn bij het omzetten van energie. Kruipgedrag - of het vermogen van het materiaal om krachten onder ultrahoge temperaturen te weerstaan ​​- is een belangrijke factor, aangezien verhoogde temperaturen en drukken leiden tot kruipvervorming. Inzicht in de kruip van het materiaal kan ingenieurs helpen bij het bouwen van efficiënte warmtemotoren die bestand zijn tegen de extreme temperatuuromgevingen.

De onderzoekers beoordeelden de kruip van de legering in een spanningsbereik van 100-300 MPa gedurende 400 uur. (MPa, of megapascal, is een eenheid die wordt gebruikt om extreem hoge druk te meten. Eén MPa is gelijk aan ongeveer 145psi, of pond per vierkante inch).

Alle experimenten werden uitgevoerd in een computergestuurde testopstelling onder vacuüm om te voorkomen dat het materiaal oxideert, of reageren met de eventuele luchtvochtigheid, wat uiteindelijk kan leiden tot roestvorming.

Verder, de studie meldt dat, in tegenstelling tot eerdere onderzoeken, de legering ervaart grotere rek met afnemende krachten. Dit gedrag, zij schrijven, is tot nu toe alleen waargenomen met superplastische materialen die bestand zijn tegen onverwacht voortijdig falen.

Deze bevindingen zijn een belangrijke indicator voor de toepasbaarheid van MoSiBTiC in systemen die functioneren bij extreem hoge temperaturen, zoals energieconversiesystemen in automobieltoepassingen, energiecentrales, en voortstuwingssystemen in vliegtuigmotoren en raketten. De onderzoekers zeggen dat er verschillende aanvullende microstructurele analyses nodig zijn om de mechanica van de legering en het vermogen om te herstellen van blootstelling aan hoge spanningen, zoals grote krachten onder hoge temperaturen, volledig te begrijpen.

Ze hopen hun bevindingen in hun toekomstige inspanningen te blijven verfijnen. "Ons uiteindelijke doel is om een ​​nieuw ultrahoge temperatuur materiaal uit te vinden dat superieur is aan op nikkel gebaseerde superlegeringen en om hogedruk-turbinebladen gemaakt van op nikkel gebaseerde superlegeringen te vervangen door nieuwe turbinebladen van ons ultrahoge temperatuur materiaal, "zei Yoshimi. "Om daarheen te gaan, als volgende stap, de oxidatieweerstand van de MoSiBTiC moet worden verbeterd door het ontwerp van de legering zonder de uitstekende mechanische eigenschappen te verslechteren. Maar het is echt een uitdaging."