Forskare vid Kyoto University har funnit att molybdensilicider kan förbättra effektiviteten hos turbinblad i förbränningssystem med ultrahög temperatur.

Gasturbiner är de motorer som genererar elektricitet i kraftverk. Driftstemperaturerna för deras förbränningssystem kan överstiga 1600 °C. De nickelbaserade turbinbladen som används i dessa system smälter vid temperaturer 200 °C lägre och kräver därför luftkylning för att fungera. Turbinblad gjorda av material med högre smälttemperaturer skulle kräva mindre bränsleförbrukning och leda till lägre CO2-utsläpp.

Materialforskare vid Japans Kyoto-universitet undersökte egenskaperna hos olika sammansättningar av molybdensilicider, med och utan ytterligare ternära element.

Tidigare forskning visade att tillverkning av molybdensilicidbaserade kompositer genom att pressa och värma deras pulver – känd som pulvermetallurgi – förbättrade deras motståndskraft mot sprickbildning vid omgivande temperaturer men minskade deras högtemperaturhållfasthet, på grund av utvecklingen av kiseldioxidskikt i materialet.

Kyoto University-teamet tillverkade sina molybdensilicidbaserade material med en metod som kallas "riktad stelning", där smält metall gradvis stelnar i en viss riktning.

Teamet fann att ett homogent material kunde bildas genom att kontrollera stelningshastigheten för den molybdensilicidbaserade kompositen under tillverkningen och genom att justera mängden av det ternära elementet som läggs till kompositen.

Det resulterande materialet börjar deformeras plastiskt under enaxlig kompression över 1000 °C. Dessutom ökar materialets högtemperaturhållfasthet genom förfining av mikrostrukturen. Att tillsätta tantal till kompositen är effektivare än att tillsätta vanadin, niob eller volfram för att förbättra hållfastheten hos materialet vid temperaturer runt 1400 °C. Legeringarna som tillverkas av Kyoto University-teamet är mycket starkare vid höga temperaturer än moderna nickelbaserade superlegeringar såväl som nyligen utvecklade strukturella material med ultrahög temperatur, rapporterar forskarna i sin studie publicerad i tidskriften Science and Technology of Advanced Materials.