Создан прочный суперсплав, отлично переносящий высокие температуры
Одним из факторов, ограничивающих производительность современных электростанций, являются металлы, используемые в лопастях, подшипниках и уплотнениях их паровых турбин, которые имеют тенденцию размягчаться и удлиняться задолго до их точки плавления. Решив эти проблемы, можно будет повысить температуру всего, что преобразует тепло в электричество с помощью паровой турбины, что приведет к повышению эффективности и сокращению потерь тепла.
Исследователи из Sandia Labs, Национальной лаборатории Эймса и Университета штата Айова утверждают, что они создали высокопроизводительный суперсплав для 3D-печати, который прочнее и легче, чем современные жаропрочные сплавы, используемые сегодня. Свои выводы они опубликовали в журнале Applied Materials Today.
Этот материал, состоящий из 42 % алюминия, 25 % титана, 13 % ниобия, 8 % циркония, 8 % молибдена и 4 % тантала, является примером «многоосновного суперсплава» или MPES. Большинство сплавов состоят в основном из одного основного элемента в сочетании с низкими концентрациями других элементов для улучшения определенных свойств, но сплавы с несколькими основными элементами имеют высокие концентрации трех или более элементов.
По словам исследовательской группы, широкий спектр этих сплавов демонстрирует большие перспективы по ряду показателей; удельная прочность, устойчивость к трещинам, коррозионная и радиационная стойкость, износостойкость и др. Но подмножество MPES, которое исследовала эта команда, отличается высокой прочностью в условиях высоких температур.
«Удельная прочность MPES по соотношению твердости и плотности составляет 1,8–2,6 ГПа-см3/г, — говорится в исследовании, — значение, превосходящее все известные сплавы, в том числе интерметаллические соединения и традиционные алюминиды титана, тугоплавкие MPEА, и обычные суперсплавы на основе никеля. Эта удельная прочность на 300% выше, чем у Inconel 718, исходя из измеренной пиковой твердости [28] 4,5 ГПа и плотности 8,2 г/см3, что дает соотношение 0,55 ГПа-см3/г».
Возможные применения
Новый сплав также разработан специально для 3D-печати в виде порошка, что позволяет создавать из него «необычные наноразмерные микроструктуры», которые, как обнаружила исследовательская группа, «нечувствительны к воздействию температуры до 800 °C в течение одного часа». Для сравнения, типичная угольная электростанция в среднем работает с температурами в районе 570 °C.
В процессе 3D-печати использовалось «композиционно разделенное, с высоким содержанием примесей» порошкообразное сырье — принтер сам смешивал сплав по мере расплавления составных металлов. Однако исследователи предупреждают, что необходима дальнейшая работа над процессом 3D-печати, прежде чем они смогут надежно производить большие детали из этих сплавов без микроскопических трещин, и что сырье включает в себя некоторые довольно дорогие металлы, которые затруднят масштабирование этого конкретного MPES для более широкого использования в приложениях, где высокая стоимость изделия будет проблемой.