日本東北大學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用前景，包括用在飛機噴氣發動機以及電力領域用的燃氣輪機等。

圖片：第一代MoSiBTiC合金3D掃描微觀組織圖像

版權：Kyosuke Yoshimi

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

    東北大學工程研究生院，文章第一作者Kyosuke Yoshimi教授說：“我們的實驗顯示，MoSiBTiC合金與前沿頂尖的鎳基單晶高溫合金相比也很強悍，鎳基單晶高溫合金通常用于熱機熱端，如飛機噴氣發動機和發電用燃氣輪機”。

    圖片：燃氣輪機

    這項研究表明，MoSiBTiC，作為鎳基高溫合金之外的超高溫材料，是這些應用的一個有希望的候選材料，” Yoshimi補充說。

    Yoshimi和同事們報道了幾個重要參數，這些參數強調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力時在MoSiBTiC內形成空洞并生長，導致微裂紋和最終破裂時的行為。

    圖片：鎳基高溫合金葉片

    熱機的性能對于未來從化石燃料中獲取能量以及隨后轉化為電力和推進力是極其關鍵的。它們功能的增強可決定它們在能量轉換方面的效率。蠕變行為——或材料在超高溫下對載荷的承受能力——是一個重要因素，因為增加的溫度和應力會導致蠕變變形。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境的高效熱機。

    研究人員評估了合金在100-300MPa的應力范圍內工作400小時后的蠕變。MPa是用來測量極高壓力的單位。1兆帕等于約145psi，或磅每平方英寸。

    所有實驗都在計算機控制的真空試驗臺上進行，以防止材料氧化，或與任何潛在最終可能導致生銹的濕氣反應。

    圖片：噴氣發動機

    此外，研究報告指出，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。

    這些發現對于在極高溫度下運行的系統MoSiBTiC的適用性是極為重要的指標，例如汽車上的能量轉換系統、發電廠以及飛機發動機和火箭的推進系統。研究人員說，為了充分了解合金的力學特性，從高應力暴露中回復過來的能力，還需要一些額外的微觀組織結構分析。

圖片：火箭發動機

    他們希望在未來的努力中不斷完善自己的發現。“我們的最終目標是發明一種優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。“為了達到這個目的，下一步，必須通過合金設計提高氧化硅的抗氧化性，而不降低其優異的機械性能，但這真的很有挑戰性！”

    編后記： 新材料是金屬材料領域全球競爭的制高點。金屬材料往往是其它行業前進的基礎和源動力。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爭力。金屬材料發展基于什么呢？當然基于材料設計，以優異性能為目標的材料設計，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，金屬材料人當努力奮斗。

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責任編輯：王元

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