日本东北大学：能够承受超高温、超高压的MoSiBTiC合金

如图所示为第一代MoSiBTiC合金的三维SEM微观结构。
图片来源：Kyosuke Yoshimi

日本科学家已经发现了一种能够在超高温下承受一定应力的金属，这种金属为飞机喷气发动机和用于发电的燃气轮机等发电领域提供了广阔的应用前景。

该研究首次发表于2018年7月《科学报告》期刊上，文章描述了一种碳化钛（TiC）增强的钼硅硼（Mo-Si-B）基合金，即MoSiBTiC，其高温强度在1400oC-1600oC的温度范围内的恒定力下被检测出来。

“我们的实验表明，与先进的镍基单晶高温合金相比，MoSiBTiC合金更为坚固。后者常用于热机高温领域，如飞机喷气式发动机和燃气涡轮机发电，”文章第一作者东北大学工学研究科的Kyosuke Yoshimi教授说道。

“这项研究表明：MoSiBTiC作为镍基高温合金之外的超高温材料，是一种在相应领域很有前景的材料，”Yoshimi补充道。

Yoshimi及其同事报告了几个参数，这些参数强调了合金在超高温下承受破坏力而不变形的能力。他们还观察到：合金随着施加压力的增加，MoSiBTiC内的空腔不断形成和生长，导致内部产生微裂纹进而最终破裂。

使用MoSiBTiC工具对Inconel®600板进行摩擦搅拌焊接。
图片来源：Kyosuke Yoshimi

热力发动机的性能是未来从化石燃料中获取能量以及随后转换为电力和动力的关键。性能的增强可以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承受力的能力是一个重要因素，因为升高的温度和压力会导致蠕变变形。了解材料的蠕变可帮助工程师构建能够承受极端温度环境的高效热力发动机。

研究人员评估了合金在施加100-300 MPa的应力长达400小时的蠕变。（MPa或兆帕斯卡，是用于测量极高压力的单位。1MPa等于约145psi，或磅/平方英寸）。

所有实验均在真空状态下的计算机控制试验台中进行，真空状态是为了防止材料氧化，或与任何潜在的空气湿气反应，这最终可能导致生锈。

此外，该研究报告说：与之前的研究相反，合金在力减小的情况下经历更大的伸长率。他们说道，这种行为到目前为止只能在超塑性材料中观察到。超塑性材料能够抵抗意外的过早失效。

超高温蠕变试验机。
图片来源：Kyosuke Yoshimi

这些发现是MoSiBTiC在极高温度下运行时系统中的重要指标，例如汽车应用中的能量转换系统、发电厂以及飞机发动机和火箭中的推进系统。研究人员表示，为充分了解合金的力学性能以及从高应力（如高温下的大应力）下恢复的能力，需要进行一些额外的微观结构分析。

他们希望在未来的研究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，并用镍超高温合金制成的高压涡轮叶片替换我们的超高温材料的新型涡轮叶片，”Yoshimi说。“为了实现下一步，MoSiBTiC的抗氧化性必须通过合金设计得到改善，才不会降低其优异的机械性能。但这确实具有挑战性。”