Первое в мире исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, выявило весьма выдающиеся высокотемпературные свойства сплава MoSiBTiC. Проведенное исследование демонстрирует устойчивость сплава на основе карбида титана (TiC) и хорошо легированного молибденом, кремнием и бором (Mo-Si-B) к постоянным нагрузкам при очень высоких температурах от 1400°C до 1600°C. По словам профессора Киосуке Ёсими из Высшей инженерной школы Университета Тохоку, ведущего автора исследования, прочность MoSiBTiC превосходит прочность передовых однокристальных никелевых суперсплавов, широко используемых в высокотемпературных зонах тепловых двигателей, таких как авиационные реактивные двигатели и газовые турбины. Данные работы свидетельствуют о том, что MoSiBTiC, являясь высокотемпературным материалом, не относящимся к категории никелевых суперсплавов, представляет собой перспективный кандидат для применения в этой области.

Трехмерная структура 1-го поколения сплава MoSiBTiC / © Kyosuke Yoshimi

Фазовый состав и топология сплава

В литом и термообработанном состоянии (при 1800 °C) структура состоит из трех основных фаз: 

1. Матрица (Mo_ss): Твердый раствор на основе молибдена (ОЦК-решетка). В зависимости от обработки может быть как непрерывной «цементирующей» фазой, так и в виде изолированных частиц.
2. Фаза T2 (Mo₅SiB₂): Интерметаллид, обеспечивающий высокую прочность и сопротивление ползучести при сверхвысоких температурах. Наличие бора в этой фазе способствует формированию защитного боросиликатного стекла (SiO₂·B₂O₃) при окислении.
3. Карбид титана (TiC): Упрочняющая фаза, объемная доля которой обычно составляет около 20%. Частицы TiC внедрены в матрицу, повышая общую твердость и износостойкость.

Особенности 3D-организации

• Тип структуры: Сплав относится к ультравысокотемпературным материалам с микроструктурой, напоминающей твердые сплавы (например, WC-Co).
• Дендритная морфология: В литом состоянии структура формируется осями дендритов первого порядка, которые ориентированы вдоль направления кристаллизации.
• Мелкозернистость: При быстрой закалке (rapid solidification) или использовании аддитивных технологий (L-PBF) достигается значительное измельчение зерен, что повышает микротвердость до значений 1100–1300 Hv и улучшает сопротивление окислению. 

Ёсими и его коллеги сообщили о нескольких свойствах, указывающих на выдерживание сплавом разрушительных сил при сверхвысоких температурах без деформации. Они также наблюдали поведение сплава при воздействии на него возрастающих сил, когда в нем стали образовываться и расти трещины до тех пор, пока он в итоге не разломался.

Эффективность тепловых двигателей – ключ к будущей добыче энергии из ископаемого топлива и его дальнейшего преобразования в электроэнергию и двигательную силу. Улучшение их функциональности может определить, насколько эффективно мы преобразуем энергию. Ползучесть – способность материала выдерживать воздействие при сверхвысоких температурах – является важным фактором, так как повышенные температуры и давление приводят к деформации. Понимание ползучести материала может помочь инженерам сконструировать эффективные тепловые двигатели, способные выдерживать экстремальные температурные условия.

Исследователи испытывали ползучесть сплава на протяжении 400 часов при давлениях от 100 до 300 МПа. Все эксперименты проводились на управляемой компьютером испытательной установке в вакууме для предупреждения окисления материала и попадания на него влаги, из-за которой на сплаве могла образоваться ржавчина.

Также, в исследовании говорится, что сплав испытывает большее удлинение при уменьшении воздействия. Ученые объясняют, что ранее такое поведение наблюдалось только у сверхпластичных материалов, способных противостоять преждевременному разрушению.

Эти обнаружения являются важным знаком для применимости MoSiBTiC в системах, функционирующих на экстремально высоких температурах, вроде систем преобразования энергии в автомобилях, силовых установок и двигательных систем в авиационных двигателях и ракетах. Исследователи сообщают, что им еще необходимо провести несколько дополнительных микроструктурных анализов для полного понимания механики сплава и его способности восстанавливаться после воздействия высоких давлений при высоких температурах.

«Наша конечная цель – изобрести новаторский сверхвысокотемпературный материал, превосходящий суперсплавы на основе никеля, и заменить лопасти турбин высокого давления, сделанные из никелевых суперсплавов, новыми турбинными лопастями из сверхвысокотемпературного материала, – говорит Ёсими. – Чтобы сделать это, следующим шагом мы должны улучшить устойчивость MoSiBTiC к окислению, разработав сплав, не повредив его исключительные механические свойства. Но, это действительно сложная задача».

Источник: http://www.nanonewsnet.ru/