Forscher der Universität Kyoto haben herausgefunden, dass Molybdänsilizide die Effizienz von Turbinenschaufeln in Ultrahochtemperatur-Verbrennungssystemen verbessern können.

Gasturbinen sind die Motoren, die in Kraftwerken Strom erzeugen. Die Betriebstemperaturen ihrer Verbrennungssysteme können 1600 °C überschreiten. Die in diesen Systemen verwendeten Turbinenschaufeln auf Nickelbasis schmelzen bei 200 °C niedrigeren Temperaturen und benötigen daher eine Luftkühlung, um zu funktionieren. Turbinenschaufeln aus Materialien mit höheren Schmelztemperaturen würden einen geringeren Treibstoffverbrauch erfordern und zu geringeren CO2-Emissionen führen.

Materialwissenschaftler der japanischen Universität Kyoto untersuchten die Eigenschaften verschiedener Zusammensetzungen von Molybdänsiliziden mit und ohne zusätzliche ternäre Elemente.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Molybdänsilizidbasis durch Pressen und Erhitzen ihrer Pulver – bekannt als Pulvermetallurgie – ihre Bruchfestigkeit bei Umgebungstemperaturen verbesserte, ihre Hochtemperaturfestigkeit jedoch aufgrund der Entwicklung von Siliziumdioxidschichten innerhalb des Materials verringerte.

Das Team der Universität Kyoto stellte seine auf Molybdänsilizid basierenden Materialien mithilfe einer Methode her, die als „gerichtete Erstarrung“ bekannt ist und bei der geschmolzenes Metall nach und nach in einer bestimmten Richtung erstarrt.

Das Team fand heraus, dass ein homogenes Material gebildet werden konnte, indem die Erstarrungsrate des Verbundwerkstoffs auf Molybdänsilizidbasis während der Herstellung kontrolliert und die Menge des dem Verbundwerkstoff zugesetzten ternären Elements angepasst wurde.

Das resultierende Material beginnt sich unter einachsiger Kompression ab 1000 °C plastisch zu verformen. Außerdem erhöht sich durch die Verfeinerung der Mikrostruktur die Hochtemperaturfestigkeit des Materials. Die Zugabe von Tantal zum Verbundwerkstoff ist wirksamer als die Zugabe von Vanadium, Niob oder Wolfram, um die Festigkeit des Materials bei Temperaturen um 1400 °C zu verbessern. Die vom Team der Universität Kyoto hergestellten Legierungen sind bei hohen Temperaturen viel fester als moderne Superlegierungen auf Nickelbasis sowie kürzlich entwickelte Ultrahochtemperatur-Strukturmaterialien, berichten die Forscher in ihrer in der Fachzeitschrift Science and Technology of Advanced Materials veröffentlichten Studie.