Металлические материалы с высокой жаростойкостью необходимы для авиационных двигателей, газовых турбин и рентгеновских аппаратов.
Производство сплавов методом дуговой плавки в лаборатории синтеза материалов Института прикладного материаловедения и материаловедения.
Кьяра Белламоли, КИТ
Будущие конструкции авиационных двигателей и газовых турбин вскоре могут претерпеть существенные усовершенствования.
Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) в Германии разработали новый сплав на основе тугоплавких металлов, состоящий из хрома, молибдена и кремния.
Он обладает уникальным и мощным сочетанием свойств, никогда ранее не встречавшихся в этом классе металлов.
В частности, материал имеет высокую температуру плавления, около 2000 °C (3632 °F), что обеспечивает его стабильность при высоких температурах.
Новый металлический сплав решает предыдущие проблемы
Металлические материалы с высокой жаростойкостью необходимы для авиационных двигателей, газовых турбин и рентгеновских аппаратов.
В идеале инженерам следовало бы использовать тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден и хром.
Существенные недостатки ограничивают широкое применение этих металлических материалов.
Например, эти материалы хрупкие при комнатной температуре, быстро окисляются и разрушаются при температуре от 600 °C (1112 °F) до 700 °C (1292 °F) при воздействии кислорода.
По этой причине применение ограничено сложными вакуумными условиями, такими как рентгеновские вращающиеся аноды.
Из-за этих проблем инженеры десятилетиями полагались на суперсплавы на основе никеля. Это стандартные материалы для высокотемпературных компонентов, таких как газовые турбины.
«Существующие суперсплавы состоят из множества различных металлических элементов, в том числе редко встречающихся, благодаря чему они сочетают в себе ряд свойств. Они пластичны при комнатной температуре, стабильны при высоких температурах и устойчивы к окислению», — сказал профессор Мартин Хайльмайер из Института прикладных материалов и материаловедения при Технологическом институте Кентукки.
«Однако — и в этом-то и заключается проблема — рабочие температуры, то есть температуры, при которых их можно безопасно использовать, находятся в диапазоне до 1100 °C (2012 °F) максимум. Это слишком мало, чтобы полностью реализовать потенциал повышения эффективности в турбинах или других высокотемпературных системах. Дело в том, что эффективность процессов сгорания возрастает с повышением температуры», — пояснил Хайльмайер.
Команда решила эту проблему с помощью нового сплава хрома, молибдена и кремния.
Подходит для авиации
Исследователи утверждают, что сплав обладает «до сих пор не имеющими себе равных свойствами».
Важно отметить, что при температуре окружающей среды он пластичен (а не хрупок). Кроме того, материал имеет чрезвычайно высокую температуру плавления — около 2000 °C.
Более того, в отличие от прежних тугоплавких сплавов, он «окисляется лишь медленно». Это справедливо даже в критическом диапазоне температур.
«Это способствует развитию идеи создания компонентов, пригодных для работы при температурах, существенно превышающих 1100 °C», — сказал доктор Александр Кауфманн, ныне профессор Рурского университета в Бохуме.
Он считает, что исследование потенциально может обеспечить «настоящий технологический скачок».
Влияние на расход топлива может быть значительным для авиации.
Профессор Хайльмайер заявил, что повышение температуры в турбине всего на 100°C (180°F) может снизить расход топлива примерно на 5%.
Новый сплав допускает более высокие рабочие температуры, что может принести пользу авиационной промышленности.
Несмотря на технический прогресс, в ближайшие несколько десятилетий самолеты с электрическим приводом, скорее всего, останутся непригодными для дальних перелетов.
Поскольку стандартное сжигание реактивного топлива будет по-прежнему обеспечивать межконтинентальные перелеты, снижение расхода топлива повысит эффективность отрасли и позволит достичь экологических целей.
Разработка также важна для стационарных газовых турбин на электростанциях, которые могут работать с меньшими выбросами CO2.
Исследователи признали, что для промышленного применения требуется еще много этапов разработки.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
