高溫金屬對於為飛機發動機、燃氣輪機和 X 射線系統提供動力至關重要。和其他先進技術 最耐熱的金屬包括難熔金屬，如鎢、鉬和鉻，它們的熔點約為或高於 2,000 攝氏度（~3,600 華氏度）。但這些金屬面臨著一個重大挑戰：它們在常溫下很脆，並且在暴露於氧氣時會迅速氧化。即使在 600 至 700 攝氏度（約 1,100 至 1,300 華氏度）的溫度下，這也會導致故障。因此，它們只能用於專門的真空環境，例如 X 射線旋轉陽極。
為了克服這些限制，工程師長期以來一直依賴鎳基高溫合金來製造必須承受熱空氣或燃燒氣體的零件。這些材料是燃氣輪機和其他高溫系統的標準材料。
“現有的高溫合金由多種金屬元素製成。包括稀有元素，它結合了許多特性。它們在室溫下堅韌，在高溫下穩定且抗氧化，”卡爾斯魯厄理工學院應用材料、材料科學與工程研究所的 Martin Heilmaier 教授解釋道。然而，工作溫度（即可以安全使用的溫度）在 1,100 攝氏度的最大範圍內，這被認為太低，無法充分發揮渦輪機或其他高溫應用效率提高的潛力。事實上，燃燒過程的效率隨著溫度的升高而提高。 ”
技術飛躍的機會
意識到這一性能限制後，Heilmaier 團隊開始尋找新的解決方案。在研究培訓小組內，該團隊開發了一種由鉻、鉬和矽組成的新型合金。現任波鴻魯爾大學教授的亞歷山大·考夫曼博士的發現發揮了重要作用。它展示了以前從未見過的功能。
“它在室溫下很堅韌。它的熔點高達 2,000 攝氏度左右，與當今任何已知的耐火合金不同。它會緩慢氧化。即使在臨界溫度下，這也催生了創造適合在 1,100 攝氏度以上工作溫度的組件的願景。因此，我們的研究結果有可能實現真正的技術飛躍，”考夫曼說。這一點尤其引人注目。這是因為抗氧化性和韌性仍然不足以預測以允許目標材料的設計。儘管計算機輔助材料的開發取得了巨大進步，但情況仍然如此。
更高效率更少消耗
“在渦輪機中，溫度僅升高 100 攝氏度就可以減少約 5% 的燃料消耗，”Heilmaier 解釋道。 “這對於航空業尤其重要。由於電動飛機不太可能在未來十年內適合長途飛行，因此大幅減少燃料消耗將是一個主要問題。由於採用了更堅固的材料，發電廠中的固定燃氣輪機也可以在減少二氧化碳排放的情況下運行。這樣該合金就可以在工業規模上使用。還需要採取更多的開發步驟，”Heilmaier 說。隨著基礎研究的發現，我們已經達到了一個重要的里程碑。世界各地的研究小組現在可以在這一成功的基礎上再接再厲。 ”
