Motoarele cu reacție și turbinele industriale funcționează la temperaturi din ce în ce mai ridicate, pe măsură ce inginerii caută eficiență maximă. Însă metalele și aliajele folosite în prezent cedează adesea înainte ca obiectivele tehnologice să fie atinse. Un nou aliaj bazat pe crom, molibden și siliciu, trei metale cunoscute pentru rezistență, toleranță la temperaturi extreme și stabilitate, schimbă regulile jocului. Materialul se dovedește durabil la temperatura camerei și rezistent la oxidare chiar și în condiții extreme, scrie earth.com.
Studiul arată că acest aliaj îmbină maleabilitatea la temperatura camerei cu rezistența la oxidare în aer până la 1.100 grade Celsius și are un punct de topire apropiat de 2.000 de grade. Creșterea temperaturii din turbine îmbunătățește eficiența termică, apropiind ciclul Brayton, procesul termodinamic care stă la baza turboreactoarelor și turbinelor pe gaz, de limitele sale. Eficiența crește pe măsură ce temperatura la intrarea în turbină urcă, motiv pentru care fiecare grad contează. Propulsia electrică face progrese, însă bateriile rămân prea grele și prea slabe energetic pentru zborurile pe distanțe lungi.
Experții de la National Renewable Energy Laboratory (NREL) arată că propulsia electrică este viabilă pentru rute scurte, dar nu pentru zboruri intercontinentale. Bateriile actuale nu pot stoca suficientă energie fără a adăuga o greutate excesivă, astfel că sunt necesare progrese majore înainte ca aeronavele electrice să poată zbura pe distanțe mari.
Ce face acest aliaj diferit
Majoritatea metalelor refractare, elemente care rezistă la puncte de topire foarte ridicate, se degradează rapid în contact cu oxigenul la temperaturi moderate și devin fragile la rece.
Noul aliaj evită ambele probleme printr-o structură cubică cu corp centrat (BCC), care își păstrează maleabilitatea și rezistența chimică la temperaturi înalte. Compoziția este bazată pe crom și molibden, cu doar 3% atomi de siliciu. Această mică adăugare de siliciu permite formarea unei pelicule protectoare de oxid, fără a crea compuși intermetalici casanți. La temperaturi ridicate, aliajul formează un strat continuu de oxid de crom, iar un strat bogat în molibden, situat dedesubt, încetinește pătrunderea azotului și împiedică formarea unor oxizi distructivi.
Cercetătorii spun că noul material ar putea permite realizarea unor componente capabile să funcționeze în siguranță la temperaturi mult peste 1.100 de grade. Testele arată o creștere lentă a peliculei de oxid la 800 de grade și comportament stabil la 1.100 grade în cicluri repetate de oxidare. Superaliajele pe bază de nichel sunt astăzi coloana vertebrală a turbinelor aviatice, dar temperatura lor maximă de utilizare sigură în aer se oprește la aproximativ 1.100 de grade. Peste acest prag, chiar și cu acoperiri speciale și sisteme de răcire, deformarea și oxidarea devin de neoprit.
Inginerii au explorat de zeci de ani aliaje pe bază de molibden și crom, dar acestea erau rezistente la oxidare doar cu prețul unei fragilități extreme la temperatura camerei. Noul aliaj crom-molibden-siliciu reușește să combine avantajele celor două direcții: are o singură fază solidă stabilă, ceea ce păstrează ductilitatea, dar și o rezistență excelentă la oxidare.
În turbine, o creștere a temperaturii cu doar 100 de grade poate reduce consumul de combustibil cu aproximativ 5%. La nivel global, acest lucru se traduce prin economii importante și emisii mai mici.
Cum combate oxidarea
Oxidarea la temperaturi înalte distruge majoritatea aliajelor deoarece oxigenul pătrunde în material și formează straturi poroase care se desprind. Molibdenul, de exemplu, poate forma oxizi volatili care literalmente evaporă masa metalului.
În noul aliaj, oxidul de crom formează un strat dens, stabil, care blochează oxigenul. Sub acest strat, siliciul formează puncte discrete de dioxid de siliciu, care stabilizează pelicula și împiedică evaporarea oxizilor de molibden. Zona bogată în molibden oprește și pătrunderea azotului, prevenind formarea de nitruri, o altă formă de degradare la temperaturi extreme.
Testele arată că aliajul nu se fracturează brusc, ci se întărește plastic la compresiune, semn clar de maleabilitate, un rezultat rar pentru un metal refractar. La 900 de grade, aliajul își păstrează rezistența, evitând casarea rapidă care a compromis alte concepte de materiale.
Alliajul a fost obținut prin topire în arc electric și apoi omogenizat cu atenție. Testele au urmărit modificările de masă, structura peliculelor și compoziția internă la nivel atomic. Deși promițător, materialul are nevoie de testări suplimentare privind rezistența la fluaj, oboseală termică, compatibilitatea cu acoperiri și metode industriale de fabricație.
Dacă se dovedește viabil în componente reale, impactul ar putea fi major în aviație și producția de energie: temperaturi de operare mai ridicate, consum redus de combustibil, emisii scăzute și turbine mai eficiente. Studiul a fost publicat în revista Nature.
Ştiri video recomandate
