Исследователь ОРНЛ, команда получила награды за рекламу

Министерство энергетики / Национальная лаборатория Ок-Риджа

Изображение: Дин Пирс из ORNL в сотрудничестве с Cummins разработал и создал поршни из стали 3Cr-XHTS, высокопрочного сплава среднеуглеродистой стали.посмотреть больше

Фото: ORNL, Министерство энергетики США.

Дин Пирс из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики и исследовательская группа под руководством Алекса Плотковски из ORNL были удостоены награды Управления транспортных технологий Министерства энергетики США за разработку новых высокоэффективных сплавов, способных выдерживать экстремальные условия.

На ежегодном обзоре заслуг транспортных технологий, состоявшемся практически 12 июня, VTO отметила Пирса, научного сотрудника отдела исследований и разработок Управления физических наук, и исследовательскую группу DuAlumin-3D под руководством Плотковски.

Компания VTO удостоила Пирса, члена группы ORNL по поведению и дизайну сплавов, наградой за выдающиеся достижения в знак признания его лидерства в разработке новой стали с тремя экстремально высокими температурами, или 3Cr-XHTS. Стальной сплав состоит из хрома, который номинально составляет 3% массы материала, как указано в его названии, и других легирующих элементов.

В рамках программы VTO LightMAT команда ORNL работала в тесном сотрудничестве с партнером по соглашению о совместных исследованиях и разработках Cummins, чтобы разработать более прочный стальной сплав менее чем за четыре года.

«У нас сложилось отличное сотрудничество с Cummins, и работа с ними позволила нам объединить уникальный опыт ORNL и Cummins для разработки 3Cr-XHTS», — сказал Пирс. «Я был рад за всю нашу команду, что после четырех лет напряженной работы и некоторых впечатляющих результатов нас признали».

Сталь 3Cr-XHTS была создана для использования в поршнях, способных выдерживать высокие температуры, высокие нагрузки и длительный период износа для более эффективных и тяжелых двигателей внутреннего сгорания нового поколения. Современный стальной сплав для поршней двигателей большой мощности, сталь 4140, ограничен применениями, где пиковые температуры металла ниже 500 C, что делает этот материал недостаточным для использования в будущих высокотемпературных двигателях.

«Для поршней нам нужно было разработать сталь, которая не только будет прочной и устойчивой к окислению при высоких температурах, но также будет хорошо проводить тепло. Одна из целей проведения тепла — поддерживать температуру на поверхности сгорания поршня достаточно низкой, чтобы материал не разрушался во время работы», — сказал Пирс. «Эти свойства часто противоречат друг другу, а это означает, что когда одно свойство улучшается, другие могут ухудшаться, и нашей команде необходимо было преодолеть эту проблему металлургического проектирования».

Новая высокопрочная среднеуглеродистая сталь оптимизирована для обеспечения превосходной усталостной стойкости и стойкости к окислению. По сравнению со сталью 4140, сталь 3Cr-XHTS продемонстрировала увеличение усталостной прочности на 143% и увеличение рабочей температуры при высоких пределах примерно на 75°С. Сталь также продемонстрировала улучшение на 46% многоцикловой и высокотемпературной усталостной прочности по сравнению с инструментальной сталью H11, другим хромсодержащим жаростойким сплавом.

Используя сталь 3Cr-XHTS, исследователи изготовили полноразмерные головки поршней — детали двигателя, которые расположены на верхней поверхности поршней и подвергаются воздействию высокотемпературных газов и высокого давления во время сгорания. Новый сплав успешно прошел самые строгие испытания двигателей Cummins — 500-часовое испытание с измененной пиковой мощностью шестицилиндрового 15-литрового двигателя большой мощности.

В дополнение к выгодным свойствам материала сталь 3Cr-XHTS доступна по цене и потенциально может стать заменой более дорогих инструментальных сталей. Сплав может найти применение в различных усилиях по декарбонизации автомобильного сектора и совместим с низкоуглеродистым топливом, которое может быть использовано в транспортных средствах большой мощности в будущем, например, с природным газом, водородом, синтетическим дизельным топливом, возобновляемым дизельным топливом и биотопливом.

На ежегодном обзоре заслуг исследовательская группа DuAlumin-3D компании ORNL получила командную награду в знак признания разработки DuAlumin-3D, легкого алюминиевого сплава, разработанного в рамках основной программы VTO Powertrain Materials Programme совместно с Управлением по передовым материалам и производству Министерства энергетики США, или АММТО. Работа частично выполнялась на производственном демонстрационном комплексе в ORNL, где находится Консорциум MDF, общенациональная группа сотрудников, работающих с лабораторией над продвижением новейших производственных технологий США под руководством AMMTO.