Найден металл, выдерживающий сверхвысокие температуры и давление

Японские ученые определили металл, способный выдерживать постоянное давление при сверхвысоких температурах. Это открывает 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, пока он в итоге не разломился.

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 — важный фактор, 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 проводили на управляемой компьютером испытательной установке в вакууме для предупреждения окисления материала и попадания на него влаги, из-за которой на сплаве могла образоваться ржавчина.

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 — важный знак для использования MoSiBTiC в системах, функционирующих на экстремально высоких температурах — вроде систем преобразования энергии в автомобилях, силовых установок и двигательных систем в авиации и ракетостроении. Исследователи сообщают, что им еще предстоит 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. — Поэтому далее мы должны улучшить устойчивость MoSiBTiC к окислению, разработав сплав и не повредив его исключительные механические свойства. И это сложная задача».