日本科学家找到一种耐超高温金属材料，其设计思想值得金属材料人借鉴
2018-11-30 15:35:29
作者：王强 来源：金属材料科学与技术
日本东北大学科研人员找到一种能在超高温下承受恒定压力的金属，这种金属具有广阔应用前景，包括用在飞机喷气发动机以及电力领域用的燃气轮机等。
图片：第一代MoSiBTiC合金3D扫描微观组织图像版权：Kyosuke Yoshimi
这项创新研究发表在2018年7月出版的Scientific Reports杂志上。描述了一种碳化钛（TiC）增强钼硅硼（Mo-Si-B）基合金，或称MoSiBTiC，其高温强度是在1400°C-1600°C温度恒定力下确定的。
东北大学工程研究生院，文章第一作者Kyosuke Yoshimi教授说：“我们的实验显示，MoSiBTiC合金与前沿顶尖的镍基单晶高温合金相比也很强悍，镍基单晶高温合金通常用于热机热端，如飞机喷气发动机和发电用燃气轮机”。
图片：燃气轮机
这项研究表明，MoSiBTiC，作为镍基高温合金之外的超高温材料，是这些应用的一个有希望的候选材料，” Yoshimi补充说。
Yoshimi和同事们报道了几个重要参数，这些参数强调了该合金在超高温下抵抗破坏力而不变形的杰出性能。他们还观察了合金在受到越来越大的应力时在MoSiBTiC内形成空洞并生长，导致微裂纹和最终破裂时的行为。
图片：镍基高温合金叶片
热机的性能对于未来从化石燃料中获取能量以及随后转化为电力和推进力是极其关键的。它们功能的增强可决定它们在能量转换方面的效率。蠕变行为——或材料在超高温下对载荷的承受能力——是一个重要因素，因为增加的温度和应力会导致蠕变变形。了解材料的蠕变可以帮助工程师制造能够承受极端温度环境的高效热机。
研究人员评估了合金在100-300MPa的应力范围内工作400小时后的蠕变。MPa是用来测量极高压力的单位。1兆帕等于约145psi，或磅每平方英寸。
所有实验都在计算机控制的真空试验台上进行，以防止材料氧化，或与任何潜在最终可能导致生锈的湿气反应。
图片：喷气发动机
此外，研究报告指出，与先前的研究相反，随着力的减小，合金的延伸率增大。他们写道，到目前为止，只有可以承受意外的早期破坏的超塑性材料才能观察到这种行为。
这些发现对于在极高温度下运行的系统MoSiBTiC的适用性是极为重要的指标，例如汽车上的能量转换系统、发电厂以及飞机发动机和火箭的推进系统。研究人员说，为了充分了解合金的力学特性，从高应力暴露中回复过来的能力，还需要一些额外的微观组织结构分析。
图片：火箭发动机
他们希望在未来的努力中不断完善自己的发现。“我们的最终目标是发明一种优于镍基高温合金的新型超高温材料，用超高温材料制备的新涡轮叶片替代镍基高温合金制成的高压涡轮叶片”Yoshimi说。“为了达到这个目的，下一步，必须通过合金设计提高氧化硅的抗氧化性，而不降低其优异的机械性能，但这真的很有挑战性！”
编后记： 新材料是金属材料领域全球竞争的制高点。金属材料往往是其它行业前进的基础和源动力。尤其在极端情况下，金属材料服役性能微小的提升，在未来的世界里都具有极大的竞争力。金属材料发展基于什么呢？当然基于材料设计，以优异性能为目标的材料设计，这往往是很多科研人员想做，但却做不到或做不好的。为了那些惊艳世人的idea，金属材料人当努力奋斗。
最近，好像五种元素构成的材料很热门，高熵合金如此，该文章报道的超高温材料也是如此，有点意思，莫非未来的新材料都来自五种元素？
参考文献：
Shiho Yamamoto Kamata, Daiki Kanekon,Yuanyuan Lu, Nobuaki Sekido, Kouichi Maruyama, Gunther Eggeler, KyosukeYoshimi. Ultrahigh-temperature tensile creep of TiC-reinforcedMo-Si-B-based alloy. Scientific Reports, 2018; 8 （1） DOI: 10.1038/s41598-018-28379-w
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