Japanska forskare har identifierat en metall som tål konstanta krafter i ultrahöga temperaturer, erbjuder lovande applikationer, inklusive i jetmotorer och gasturbiner för elproduktion.

Den första i sitt slag, publicerad i open-access journal Vetenskapliga rapporter i juli 2018, beskriver en titankarbid (TiC) -förstärkt, molybden-kisel-bor (Mo-Si-B) -baserad legering, eller MoSiBTiC, vars styrka vid hög temperatur identifierades under konstanta krafter i temperaturområdena 1400 ^o C-1600 ^o C.

"Våra experiment visar att MoSiBTiC-legeringen är extremt stark jämfört med banbrytande nickelbaserade enkristalliga superlegeringar, som vanligtvis används i heta sektioner av värmemotorer såsom jetmotorer från flygplan och gasturbiner för elproduktion, "sade huvudförfattaren professor Kyosuke Yoshimi från Tohoku University's Graduate School of Engineering.

"Detta arbete tyder på att MoSiBTiC, som ultrahögtemperaturmaterial utöver nickelbaserade superlegeringar, är en lovande kandidat för dessa ansökningar, "tillade Yoshimi.

Yoshimi och kollegor rapporterar flera parametrar som belyser legeringens gynnsamma förmåga att motstå störande krafter under ultrahöga temperaturer utan att deformeras. De observerade också legeringens beteende när de utsattes för ökande krafter och när håligheter inom MoSiBTiC bildades och växte, resulterar i mikrosprickor och slutlig sprickbildning.

Värmemotorernas prestanda är nyckeln till framtida skörd av energi från fossilt bränsle och den efterföljande omvandlingen till elkraft och framdrivningskraft. Förbättringen av deras funktionalitet kan avgöra hur effektiva de är vid energiomvandling. Krypbeteende - eller materialets förmåga att motstå krafter under ultrahöga temperaturer - är en viktig faktor eftersom ökade temperaturer och tryck leder till krypdeformation. Att förstå materialets kryp kan hjälpa ingenjörer att konstruera effektiva värmemotorer som tål de extrema temperaturmiljöerna.

Forskarna bedömde legeringens kryp i ett spänningsintervall på 100-300 MPa i 400 timmar. (MPa, eller megapascal, är en enhet som används för att mäta extremt högt tryck. En MPa är ungefär 145psi, eller pund per kvadrattum).

Alla experiment utfördes i en datorstyrd testrigg under vakuum för att förhindra att materialet oxiderar, eller reagerar med eventuell luftfuktighet, vilket kan resultera i rostbildning.

Vidare, studien rapporterar att, i motsats till tidigare studier, legeringen upplever större töjning med minskande krafter. Detta beteende, de skriver, har hittills bara observerats med superplastiska material som kan motstå oväntat för tidigt fel.

Dessa fynd är en viktig indikator för MoSiBTiC:s tillämpbarhet i system som fungerar vid extremt höga temperaturer, såsom energiomvandlingssystem i fordonsapplikationer, kraftverk, och framdrivningssystem i flygmotorer och raketer. Forskarna säger att flera ytterligare mikrostrukturella analyser behövs för att till fullo förstå legeringens mekanik och dess förmåga att återhämta sig från exponering av höga påfrestningar som stora krafter under höga temperaturer.

De hoppas kunna fortsätta förfina sina resultat i sina framtida strävanden. "Vårt yttersta mål är att uppfinna ett nytt ultrahögt temperaturmaterial som är överlägset nickelbaserade superlegeringar och ersätta högtrycksturbinblad tillverkade av nickelbaserade superlegeringar med nya turbinblad av vårt ultrahöga temperaturmaterial, "sa Yoshimi." Att åka dit, som nästa steg, oxidationsbeständigheten hos MoSiBTiC måste förbättras genom legeringsdesign utan att försämra dess utmärkta mekaniska egenskaper. Men det är verkligen utmanande. "