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日本科學(xué)家找到一種耐超高溫金屬材料，其設(shè)計(jì)思想值得金屬材料人借鑒

2018-11-30 15:35:29 作者：王強(qiáng) 來源：金屬材料科學(xué)與技術(shù) 分享至：

日本東北大學(xué)科研人員找到一種能在超高溫下承受恒定壓力的金屬，這種金屬具有廣闊應(yīng)用前景，包括用在飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及電力領(lǐng)域用的燃?xì)廨啓C(jī)等。

圖片：第一代MoSiBTiC合金3D掃描微觀組織圖像版權(quán)：Kyosuke Yoshimi

這項(xiàng)創(chuàng)新研究發(fā)表在2018年7月出版的Scientific Reports雜志上。描述了一種碳化鈦（TiC）增強(qiáng)鉬硅硼（Mo-Si-B）基合金，或稱MoSiBTiC，其高溫強(qiáng)度是在1400°C-1600°C溫度恒定力下確定的。

東北大學(xué)工程研究生院，文章第一作者Kyosuke Yoshimi教授說：“我們的實(shí)驗(yàn)顯示，MoSiBTiC合金與前沿頂尖的鎳基單晶高溫合金相比也很強(qiáng)悍，鎳基單晶高溫合金通常用于熱機(jī)熱端，如飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)”。

圖片：燃?xì)廨啓C(jī)

這項(xiàng)研究表明，MoSiBTiC，作為鎳基高溫合金之外的超高溫材料，是這些應(yīng)用的一個(gè)有希望的候選材料，” Yoshimi補(bǔ)充說。

Yoshimi和同事們報(bào)道了幾個(gè)重要參數(shù)，這些參數(shù)強(qiáng)調(diào)了該合金在超高溫下抵抗破壞力而不變形的杰出性能。他們還觀察了合金在受到越來越大的應(yīng)力時(shí)在MoSiBTiC內(nèi)形成空洞并生長(zhǎng)，導(dǎo)致微裂紋和最終破裂時(shí)的行為。

圖片：鎳基高溫合金葉片

熱機(jī)的性能對(duì)于未來從化石燃料中獲取能量以及隨后轉(zhuǎn)化為電力和推進(jìn)力是極其關(guān)鍵的。它們功能的增強(qiáng)可決定它們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)換方面的效率。蠕變行為——或材料在超高溫下對(duì)載荷的承受能力——是一個(gè)重要因素，因?yàn)樵黾拥臏囟群蛻?yīng)力會(huì)導(dǎo)致蠕變變形。了解材料的蠕變可以幫助工程師制造能夠承受極端溫度環(huán)境的高效熱機(jī)。

研究人員評(píng)估了合金在100-300MPa的應(yīng)力范圍內(nèi)工作400小時(shí)后的蠕變。MPa是用來測(cè)量極高壓力的單位。1兆帕等于約145psi，或磅每平方英寸。

所有實(shí)驗(yàn)都在計(jì)算機(jī)控制的真空試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，以防止材料氧化，或與任何潛在最終可能導(dǎo)致生銹的濕氣反應(yīng)。

圖片：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

此外，研究報(bào)告指出，與先前的研究相反，隨著力的減小，合金的延伸率增大。他們寫道，到目前為止，只有可以承受意外的早期破壞的超塑性材料才能觀察到這種行為。

這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于在極高溫度下運(yùn)行的系統(tǒng)MoSiBTiC的適用性是極為重要的指標(biāo)，例如汽車上的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、發(fā)電廠以及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭的推進(jìn)系統(tǒng)。研究人員說，為了充分了解合金的力學(xué)特性，從高應(yīng)力暴露中回復(fù)過來的能力，還需要一些額外的微觀組織結(jié)構(gòu)分析。

圖片：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

他們希望在未來的努力中不斷完善自己的發(fā)現(xiàn)。“我們的最終目標(biāo)是發(fā)明一種優(yōu)于鎳基高溫合金的新型超高溫材料，用超高溫材料制備的新渦輪葉片替代鎳基高溫合金制成的高壓渦輪葉片”Yoshimi說。“為了達(dá)到這個(gè)目的，下一步，必須通過合金設(shè)計(jì)提高氧化硅的抗氧化性，而不降低其優(yōu)異的機(jī)械性能，但這真的很有挑戰(zhàn)性！”

編后記：新材料是金屬材料領(lǐng)域全球競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。金屬材料往往是其它行業(yè)前進(jìn)的基礎(chǔ)和源動(dòng)力。尤其在極端情況下，金屬材料服役性能微小的提升，在未來的世界里都具有極大的競(jìng)爭(zhēng)力。金屬材料發(fā)展基于什么呢？當(dāng)然基于材料設(shè)計(jì)，以優(yōu)異性能為目標(biāo)的材料設(shè)計(jì)，這往往是很多科研人員想做，但卻做不到或做不好的。為了那些驚艷世人的idea，金屬材料人當(dāng)努力奮斗。

最近，好像五種元素構(gòu)成的材料很熱門，高熵合金如此，該文章報(bào)道的超高溫材料也是如此，有點(diǎn)意思，莫非未來的新材料都來自五種元素？

參考文獻(xiàn)：

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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