Scienziati giapponesi hanno identificato un metallo in grado di resistere a forze costanti a temperature ultraelevate, offrendo applicazioni promettenti, tra cui nei motori a reazione degli aerei e nelle turbine a gas per la generazione di energia elettrica.

Il primo studio nel suo genere, pubblicato sulla rivista ad accesso libero Rapporti scientifici nel luglio 2018, descrive un carburo di titanio (TiC) rinforzato, lega a base di molibdeno-silicio-boro (Mo-Si-B), o MoSiBTiC, la cui resistenza alle alte temperature è stata identificata sotto forze costanti negli intervalli di temperatura di 1400 ^o C-1600 ^o C.

"I nostri esperimenti mostrano che la lega MoSiBTiC è estremamente resistente rispetto alle superleghe a cristallo singolo all'avanguardia a base di nichel, che sono comunemente usati nelle sezioni calde dei motori termici come i motori a reazione degli aerei e le turbine a gas per la generazione di energia elettrica, ", ha affermato l'autore principale, il professor Kyosuke Yoshimi della Graduate School of Engineering della Tohoku University.

"Questo lavoro suggerisce che il MoSiBTiC, come materiali ad altissima temperatura oltre alle superleghe a base di nichel, è un candidato promettente per quelle applicazioni, "aggiunse Yoshimi.

Yoshimi e colleghi riportano diversi parametri che evidenziano la favorevole capacità della lega di resistere a forze dirompenti a temperature ultra elevate senza deformarsi. Hanno anche osservato il comportamento della lega quando esposta a forze crescenti e quando si formavano e crescevano cavità all'interno di MoSiBTiC, con conseguente microfessure e rottura finale.

Le prestazioni dei motori termici sono fondamentali per la futura raccolta di energia dai combustibili fossili e la successiva conversione in energia elettrica e forza di propulsione. Il miglioramento della loro funzionalità può determinare quanto siano efficienti nella conversione dell'energia. Il comportamento di scorrimento, o la capacità del materiale di resistere a forze a temperature ultraelevate, è un fattore importante poiché temperature e pressioni aumentate portano alla deformazione da scorrimento. Comprendere lo scorrimento del materiale può aiutare gli ingegneri a costruire motori termici efficienti in grado di resistere a temperature estreme.

I ricercatori hanno valutato lo scorrimento della lega in un intervallo di sollecitazioni di 100-300 MPa per 400 ore. (MPa, o megapascal, è un'unità utilizzata per misurare pressioni estremamente elevate. Un MPa equivale a circa 145psi, o libbra per pollice quadrato).

Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in un banco di prova controllato da computer sotto vuoto al fine di prevenire l'ossidazione del materiale, o reagendo con l'eventuale umidità dell'aria, che alla fine potrebbe causare la formazione di ruggine.

Per di più, lo studio riporta che, contrariamente a studi precedenti, la lega subisce un allungamento maggiore con forze decrescenti. Questo comportamento, loro scrivono, è stato finora osservato solo con materiali superplastici in grado di resistere a guasti prematuri imprevisti.

Questi risultati sono un indicatore importante per l'applicabilità di MoSiBTiC in sistemi che funzionano a temperature estremamente elevate, come i sistemi di conversione dell'energia nelle applicazioni automobilistiche, centrali elettriche, e sistemi di propulsione nei motori degli aerei e nei razzi. I ricercatori affermano che sono necessarie diverse analisi microstrutturali aggiuntive per comprendere appieno la meccanica della lega e la sua capacità di riprendersi dall'esposizione a sollecitazioni elevate come grandi forze a temperature elevate.

Sperano di continuare a perfezionare le loro scoperte nei loro sforzi futuri. "Il nostro obiettivo finale è inventare un nuovo materiale per temperature ultra elevate superiore alle superleghe a base di nichel e sostituire le pale della turbina ad alta pressione realizzate con superleghe a base di nichel con nuove pale della turbina del nostro materiale per temperature ultra elevate, " disse Yoshimi. "Per andarci, come passo successivo, la resistenza all'ossidazione del MoSiBTiC deve essere migliorata dalla progettazione della lega senza deteriorarne le eccellenti proprietà meccaniche. Ma è davvero impegnativo".