В США разрабатывают систему распыления порошков тугоплавких металлов для создания материалов термоядерной энергетики

Американские исследователи разрабатывают новую систему распыления порошков тугоплавких металлов для получения жаропрочных сплавов, предназначенных для применения в экстремальных условиях. Система будет поддерживать разработку новых материалов для газовых турбин, аэрокосмического оборудования и систем термоядерной энергетики.

Ученый Национальной лаборатории Эймса (Ames National Laboratory) Джордан Тиаркс (Jordan Tiarks) отметил, что лаборатория давно занимается исследованиями в области получения специальных порошков, и новая система позволит расширить возможности обработки материалов на более высокие температурные диапазоны и более сложные составы.

Как пояснили в исследовательской группе, металлические порошки являются важной основой таких передовых производственных технологий, как порошковая металлургия и аддитивное производство, и позволяют точно изготавливать сложные компоненты и специальные сплавы. Для некоторых жаропрочных сплавов традиционные процессы не могут обеспечить необходимое для исследований качество и объемы поставок порошка. Новая система способна обрабатывать материалы при температуре до 3400°C, а скорость производства порошка может достигать 1 кг в минуту, что позволяет обеспечивать достаточное количество образцов для разработки, испытаний и масштабирования новых материалов.

В настоящее время в наземных и авиационных газовых турбинах в основном используются жаропрочные сплавы на основе никеля или кобальта. Для сохранения эффективности при более высоких температурах такое оборудование обычно требует сложных систем охлаждения и дорогостоящих теплоизоляционных покрытий. Исследователи стремятся разработать новые сплавы, способные выдерживать более жесткие температурные условия, чтобы повысить производительность и снизить потребность в охлаждении. Тиаркс отметил, что некоторые исследовательские группы уже предложили конструкции сплавов, однако получение порошковых материалов, пригодных для испытаний, часто требует длительного ожидания.

Агентство передовых исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E) считает, что текущее узкое место заключается не только в самих новых сплавах, но и в отсутствии исследовательского оборудования, способного производить достаточное количество высококачественного порошка сплавов. Национальная лаборатория Эймса, имеющая многолетний опыт в области порошковой металлургии, взяла на себя задачи по созданию соответствующих мощностей.

Как сообщается, новая система использует процесс с переносной дугой в плазме, который не требует специальных электродов, а использует высокоэнергетическую плазму для локального расплавления исходного материала перед распылением. Исходный материал может иметь различную физическую форму — прутки, блоки и т.д., при условии стабильности химического состава. Плавление происходит в водоохлаждаемой медной камере, где внешний слой расплавленного материала затвердевает на стенках камеры, образуя тонкую защитную структуру, называемую «гарнисажем», которая изолирует сверхвысокотемпературный расплав от охлаждаемых медных стенок.

Данный процесс плавит лишь небольшое количество материала за один раз. Тиаркс пояснил, что локальное плавление, с одной стороны, снижает риски для безопасности, исключая нахождение большого объема сверхвысокотемпературного металла одновременно в расплавленном состоянии; с другой стороны, сокращает время пребывания материала при высоких температурах, что способствует сохранению чистоты и контролю реакционной способности материала.

Данный распылитель порошков тугоплавких металлов дополнит существующую систему распылительного оборудования Национальной лаборатории Эймса и будет ориентирован на обработку металлов и сплавов при более высоких температурах. Для обычных сплавов, которые можно обрабатывать при более низких температурах, существующие в лаборатории индукционный и ближнесопловой распылители по-прежнему обладают более высокой эффективностью: выход в оптимальном диапазоне размеров частиц может достигать 50–60%; для сравнения, типичный выход распылителя порошков тугоплавких металлов при получении жаропрочных сплавов составляет около 10–20%.