Onderzoekers van de Universiteit van Kyoto hebben ontdekt dat molybdeensiliciden de efficiëntie van turbinebladen in verbrandingssystemen bij ultrahoge temperaturen kunnen verbeteren.

Gasturbines zijn de motoren die elektriciteit opwekken in elektriciteitscentrales. De bedrijfstemperaturen van hun verbrandingssystemen kunnen hoger zijn dan 1600 °C. De op nikkel gebaseerde turbinebladen die in deze systemen worden gebruikt, smelten bij temperaturen die 200 °C lager zijn en hebben dus luchtkoeling nodig om te kunnen functioneren. Turbinebladen gemaakt van materialen met hogere smelttemperaturen vereisen minder brandstofverbruik en leiden tot een lagere CO2-uitstoot.

Materiaalwetenschappers van de Japanse Universiteit van Kyoto onderzochten de eigenschappen van verschillende samenstellingen van molybdeensiliciden, met en zonder aanvullende ternaire elementen.

Eerder onderzoek toonde aan dat het vervaardigen van op molybdeensilicide gebaseerde composieten door het persen en verwarmen van hun poeders – ook wel poedermetallurgie genoemd – hun weerstand tegen breuken bij omgevingstemperaturen verbeterde, maar hun sterkte bij hoge temperaturen verlaagde, als gevolg van de ontwikkeling van siliciumdioxidelagen in het materiaal.

Het team van de Universiteit van Kyoto vervaardigde hun op molybdeensilicide gebaseerde materialen met behulp van een methode die bekend staat als ‘directionele stolling’, waarbij gesmolten metaal geleidelijk in een bepaalde richting stolt.

Het team ontdekte dat een homogeen materiaal kon worden gevormd door de stollingssnelheid van het op molybdeensilicide gebaseerde composiet tijdens de fabricage te regelen en door de hoeveelheid van het ternaire element dat aan het composiet werd toegevoegd aan te passen.

Het resulterende materiaal begint plastisch te vervormen onder uniaxiale compressie boven 1000 °C. Ook neemt de sterkte van het materiaal bij hoge temperaturen toe door verfijning van de microstructuur. Het toevoegen van tantaal aan het composiet is effectiever dan het toevoegen van vanadium, niobium of wolfraam om de sterkte van het materiaal te verbeteren bij temperaturen rond de 1400 °C. De legeringen vervaardigd door het team van de Universiteit van Kyoto zijn veel sterker bij hoge temperaturen dan moderne superlegeringen op nikkelbasis en recent ontwikkelde structurele materialen voor ultrahoge temperaturen, rapporteren de onderzoekers in hun studie gepubliceerd in het tijdschrift Science and Technology of Advanced Materials.