Legering op basis van tantalium blijft sterk tot 2.400°C

Chinese onderzoekers hebben een metaallegering ontwikkeld die ook bij temperaturen tot 2.400 °C sterk blijft. Het materiaal, gebaseerd op tantalium en versterkt met nanodeeltjes, kan een voorbode zijn voor hittebestendige componenten voor onder meer hypersonische vliegtuigen, raketmotoren en geavanceerde kernreactoren.

Voor veel metalen ligt de praktische bovengrens veel lager. Zelfs de nikkel-superlegeringen die worden toegepast in vliegtuigmotoren verliezen boven ongeveer 2.000 °C hun draagvermogen.

Hafniumoxide

Het Chinese team koos voor tantalium als basismateriaal, omdat dit metaal een smeltpunt van bijna 3.000 °C heeft. Om te voorkomen dat de legering bij extreme temperaturen zacht wordt, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe productiemethode waarbij uiterst kleine hafniumoxide-deeltjes van ongeveer 50 nanometer gelijkmatig door het materiaal worden verdeeld.

Een kleine hoeveelheid boor speelt daarbij een cruciale rol. Het element stabiliseert de oxide-nanodeeltjes en voorkomt dat deze bij hoge temperaturen samenklonteren of oplossen. Daardoor behoudt de legering haar mechanische sterkte, zelfs onder extreme thermische belasting.

Niobium en molybdeen

Volgens de onderzoekers behaalt de nieuwe legering een treksterkte van ongeveer 200 MPa bij 2.000 °C en 100 MPa bij 2.400 °C. Daarmee presteert het materiaal beter dan bestaande vuurvaste legeringen op basis van tantalium, niobium of molybdeen. Bovendien blijft het materiaal bij kamertemperatuur goed vervormbaar, waardoor het kan worden verwerkt tot complexe componenten zonder snel te scheuren. Die combinatie van hoge hittebestendigheid én goede verwerkbaarheid is volgens de onderzoekers uniek. Veel alternatieve materialen, zoals keramiek of intermetallische verbindingen, zijn wel bestand tegen extreme temperaturen, maar zijn te bros om eenvoudig te bewerken.

De nieuwe legering kan interessant zijn voor componenten die langdurig aan zeer hoge temperaturen worden blootgesteld mondstukken van raketmotoren, hitteschilden van hypersonische vliegtuigen en onderdelen van geavanceerde kernreactoren. Voor dergelijke toepassingen zijn materialen nodig die niet alleen hittebestendig zijn, maar ook onder belasting hun vorm behouden.