سبيكة Cr-Mo-Si الجديدة قد تعيد كتابة حدود حرارة محركات الطائرات

طور الباحثون مادة جديدة تتمتع بمقاومة حرارية عالية بشكل ملحوظ، وتظهر إمكانات قوية لاستخدامها في محركات الطائرات.

تتطلب تقنيات قوية مثل محركات الطائرات، توربينات الغاز، الآلات الصناعية، ومعدات الأشعة السينية موادًا يمكنها تحمل درجات حرارة مرتفعة للغاية. المعادن المقاومة للحرارة مثل التنجستن (W)، الكروم (Cr)، والموليبدينوم (Mo) التي تمتلك نقاط انصهار عالية جدًا حوالي 2000 درجة مئوية أو أكثر ومقاومة استثنائية للحرارة، التآكل، والتشوه، تُعد مثالية لهذه التطبيقات.

ومع ذلك، رغم أن هذه المعادن تظهر استقرارًا حراريًا مثيرًا للإعجاب، فإنها تصبح هشة جدًا عند درجة حرارة الغرفة. كما أنها تتأكسد بسرعة عند تعرضها للأكسجين، مما يؤدي إلى فشل المادة عند درجات حرارة تتراوح بين 600 و 700 درجة مئوية.

نتيجة لذلك، لا يمكن استخدام هذه المواد بفعالية إلا تحت ظروف فراغ معقدة، مثل الأنودات الدوارة للأشعة السينية. لتجاوز هذه القيود، اعتمد المهندسون منذ فترة طويلة على السبائك الفائقة القائمة على النيكل لبناء المكونات التي يجب أن تتحمل الحرارة العالية.

السبائك الفائقة القائمة على النيكل: القوة، الحدود، ولماذا تصل إلى الحد الأقصى

السبائك الفائقة هي سبائك عالية الأداء تُعرف بخصائصها الميكانيكية الاستثنائية ومقاومتها للحرارة الشديدة والضغط العالي. كما أنها تتمتع باستقرار جيد للسطح والطور، ومقاومة عالية للأكسدة والتآكل.

تم تطوير هذه السبائك في البداية لمحركات توربينات الطائرات، ثم توسعت مع مرور الوقت لتشمل العديد من التطبيقات المتطلبة الأخرى، بما في ذلك توربينات الغاز، محركات الصواريخ، توليد الطاقة، المعالجة الكيميائية، ومصانع البترول.

تستند أساسًا إلى النيكل أو الحديد أو الكوبالت ويمكنها الحفاظ على سلامتها الميكانيكية عند درجات حرارة يتعذر على معظم السبائك الأخرى تحملها.

النيكل (Ni) له أهمية أساسية هنا. هذا المعدن الانتقالي الفضي الأبيض اللامع معروف باستخدامه في سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ. وهو يلعب دورًا مهمًا في كثافة الطاقة وأداء البطاريات، مما يتيح قدرات مدى أطول في المركبات الكهربائية.

خصائص هذا المعدن حاسمة أيضًا للمكونات الجوية، التي تتعرض لتقلبات درجات الحرارة والرطوبة. بفضل مقاومتها للأكسدة والتآكل، تُطيل سبائك النيكل عمر المكونات، مما يعزز كفاءة التشغيل والسلامة.

تُستخدم سبائك النيكل الفائقة في الواقع على نطاق واسع لأكثر الأجزاء حرارة، حيث تشكل أكثر من 50٪ من وزن محركات الطائرات المتقدمة، بفضل مقاومتها المتميزة للتدفق الزمني والانفجار تحت الضغط عند درجات حرارة مرتفعة.

كما أنها تظهر قوة عالية عند درجات الحرارة، ومقاومة للإجهاد المتكرر، ومتانة خفيفة الوزن، وتوصيل كهربائي جيد.

تتكون هذه السبائك متعددة المكونات من النيكل وقد تشمل عناصر سبيكة مثل الألمنيوم (Al)، الكروم (Cr)، الكوبالت (Co)، التيتانيوم (Ti)، والموليبدينوم (Mo) لتعزيز خصائصها.

مع ذلك، تمتلك سبائك النيكل الفائقة قيودًا خاصة بها، تشمل التكلفة العالية، صعوبة التشغيل بسبب التقسية أثناء القطع وانخفاض التوصيل الحراري، والاحتمالية العالية للتشقق أثناء اللحام والتصنيع الإضافي. كما يمكن أن تعاني من الأكسدة وتواجه تدهورًا في الخصائص الميكانيكية نتيجة تكوّن رواسب غير مرغوبة.

“السبائك الفائقة الحالية مصنوعة من العديد من العناصر المعدنية المختلفة، بما في ذلك تلك النادرة، بحيث تجمع بين عدة خصائص. إنها مرنة عند درجة حرارة الغرفة، مستقرة عند درجات حرارة عالية، ومقاومة للأكسدة.”

– الأستاذ مارتن هيلماير من معهد المواد التطبيقية بجامعة كيت، علوم وهندسة المواد

لكن المشكلة هي درجات حرارة تشغيلها، التي هي “درجات الحرارة التي يمكن استخدامها بأمان”، وتصل إلى 1100 درجة مئوية. وأضاف:

“هذا منخفض جدًا لاستغلال الإمكانات الكاملة لمزيد من الكفاءة في التوربينات أو التطبيقات الأخرى ذات الحرارة العالية. الحقيقة هي أن كفاءة عمليات الاحتراق تزداد مع الحرارة.”

للتغلب على هذه القيود، قدمت المؤسسة الألمانية للبحث (DFG) تمويلًا، ونجح الباحثون في تطوير سبيكة جديدة من الكروم (Cr)، الموليبدينوم (Mo)، والسيليكون (Si).

انقر هنا لتتعرف على سبيكة الـ hyperadaptor المصممة لتلبية المتطلبات الصناعية القصوى.

سبيكة Cr-Mo-Si المقاومة للحرارة: الليونة عند درجة حرارة الغرفة + مقاومة الأكسدة حتى 1100 °م

بينما يتم تحويل السيارات والشاحنات إلى الكهرباء بسرعة لتحقيق النقل المستدام وتقليل انبعاثات الكربون، ستظل محركات الاحتراق في الطائرات ذات المدى الطويل مطلوبة، على الأقل في العقود القادمة.

اسحب للتمرير →

أشار هيلماير إلى أن الطائرات التي تعمل بالكهرباء “لن تكون مناسبة تقريبًا للرحلات الطويلة في العقود القادمة. وبالتالي، سيكون خفض استهلاك الوقود بشكل كبير مسألة حيوية.”

في التوربين، يمكن لزيادة درجة الحرارة بمقدار 100 درجة مئوية فقط أن تقلل استهلاك الوقود بنحو 5٪.

إذن، إحدى الطرق لتحسين كفاءة تحويل الطاقة من الوقود الأحفوري أو الصناعي هي رفع درجات حرارة تشغيله. ولكن لتحقيق ذلك، يجب استبدال السبائك الفائقة أحادية البلورة القائمة على النيكل بمواد مقاومة للحرارة في أكثر المناطق حرارة في التوربينات، التي تظهر درجات صلابة أعلى بكثير تتجاوز 2000 °م.

مع ذلك، يعيق استبدال السبائك الفائقة المتقدمة القائمة على النيكل بمواد معدنية-متشابكة جديدة حدين أساسيين. يشمل ذلك نقصًا في مقاومة الأكسدة و/أو الليونة عند درجة حرارة الغرفة (RT).

المسألة هي أن الليونة ومقاومة الأكسدة لا يمكن التنبؤ بهما بشكل كافٍ لتمكين تصميم المواد المستهدف.

حاليًا، لا توجد قدرات محاكاة تنبؤية دقيقة لأي من الخاصيتين. وهذا على الرغم من التقدم الكبير الذي تم إحرازه في تطوير المواد بمساعدة الحاسوب. نتيجة لذلك، يضطر العلماء والمهندسون إلى الاعتماد على الملاحظات.

نُشرت في مجلة Nature، الدراسة الأخيرة بعنوان “سبيكة كروم-موليبدينوم مرنة مقاومة للأكسدة عند درجات حرارة عالية” وقدمت المادة الجديدة: سبيكة Cr-36.1Mo-3Si ذات الطور الواحد.

قال الدكتور ألكسندر كوفمان، أستاذ بجامعة روش في بوخوم، والذي لعب دورًا رئيسيًا في هذا الاكتشاف: “السبيكة القائمة على المعادن المقاومة للحرارة “مرنة عند درجة حرارة الغرفة، ونقطة انصهارها تصل إلى حوالي 2000 درجة مئوية، وعلى عكس السبائك المقاومة للحرارة المعروفة حتى الآن، فإنها تتأكسد ببطء فقط، حتى في نطاق درجات الحرارة الحرجة”.

استخدام الكروم والموليبدينوم هنا يعالج مشاكل عناصر المعادن المقاومة للحرارة، التي تظهر مشاكل في الأكسدة، مما يحد من تطبيقها. بينما يؤدي الكروم إلى تكوين طبقة حماية Cr2O3، يجعل الموليبدينوم المناطق مقاومة للنترجة.

يُستخدم السيليكون كعنصر ثالث قليل لضمان نمو بطيء لطبقة Cr2O3. مضمونه القليل مكن الباحثين من تركيب حلول صلبة عشوائية ذات طور واحد.

بفضل خصائصه الفريدة، “هذا يغذي الرؤية القادرة على صنع مكونات مناسبة لدرجات حرارة تشغيل أعلى بكثير من 1100 درجة مئوية. وبالتالي، فإن نتيجة بحثنا لديها القدرة على إحداث قفزة تكنولوجية حقيقية”، قال كوفمان.

لكن رغم أن المادة تلبي أهم المتطلبات الحرجة للمواد المقاومة للحرارة، فإن استخدامها على المستوى الصناعي يتطلب المرور عبر “العديد من خطوات التطوير الأخرى”.

مع ذلك، قال هيلماير: “مع اكتشافنا في البحث الأساسي، وصلنا إلى مرحلة مهمة. يمكن الآن لمجموعات البحث حول العالم البناء على هذا الإنجاز”.

من يتصدر سباق المواد: الولايات المتحدة، أوروبا، الصين، تركيا

بينما يواصل الباحثون كسر حواجز الحرارة والمتانة للسبائك الفائقة التقليدية القائمة على النيكل، تتشكل إنجازات مماثلة حول العالم.

في وقت سابق من هذا العام، اكتشف فريق في مختبر إيمس الوطني سبيكة جديدة قد تحل محل السبائك الفائقة القائمة على النيكل والكوبالت، التي تحد حدود تحمل الحرارة من تحسين كفاءة الطاقة.

كما لجأوا بطبيعية إلى المعادن المقاومة للحرارة لأنها الوحيدة التي تمتلك نقاط انصهار أعلى بكثير من النيكل والكوبالت. ولكن بالطبع، هناك مسألة معقدة تتعلق بتصنيعها وتشكيلها إلى قطع.

لذلك، قرر الباحثون دمج المعادن المقاومة للحرارة في سبائك متعددة العناصر الرئيسية، التي لا تستند إلى عنصر واحد بل إلى ثلاثة عناصر أو أكثر، بحيث لا يتجاوز أي منها 50٪ من التركيب الكلي.

“لقد أدركنا أن دمج العديد من هذه العناصر النقية الهشة بكميات كبيرة يخلق هياكل ذرية تتمتع بخصائص ناشئة وفريدة.”

– قائد الفريق نيكولاس أرجباي، وهو عالم في مختبر إيمس، وهو مختبر وطني تابعة لمكتب العلوم بوزارة الطاقة الأمريكية وتديره جامعة ولاية أيوا.

مع ذلك، يعني خلط أكثر من ثلاثة عناصر معًا “ملايين التركيبات للبحث عنها”، وهي عملية تستغرق وقتًا طويلاً. لكن بفضل الذكاء الاصطناعي، تمكنوا من توفير الوقت والمال و”ضبط الأمر” من المحاولة الأولى.

لذلك، للعثور على المواد وتركيبها، استخدم الباحثون إطارًا حسابيًا تم تطويره من قبل عالمان في مختبر إيمس، براشانت سينغ ودوان جونسون.

“قمنا بوضع منهجية موجهة بالنظرية تتكامل مع التجارب. إنها توجه التجريبيين في الاتجاه الصحيح للسبائك الجديدة التي تمتلك الخصائص المحددة التي يرغبون فيها في تلك المواد.”

– جونسون

تظهر هذه السبيكة الجديدة مرونة أكبر ضد التشوه عند درجات حرارة أعلى والخصائص اللازمة من الليونة لتصنيعها باستخدام طرق تجارية معتمدة.

تُظهر نهج فريق إيمس كيف يمكن للتصميم تسريع الاكتشافات التي كانت تستغرق سنوات من التجربة والخطأ. بناءً على هذا التعاون بين الحوسبة والتجربة، دمج الباحثون في MIT التعلم الآلي (ML) مع طباعة المعادن ثلاثية الأبعاد لتصميم سبيكة قائمة على الألمنيوم تتطابق أجزاؤها المطبوعة مع قوة سبيكة 7075 المشغولة—وبعد تعتيق عند 400 °م، تكون أقوى بنحو 50٪ من أقوى معيار مطبوع للألمنيوم.

لإنشاء هذا المعدن الجديد، خلط الفريق الألمنيوم مع عناصر أخرى تم تحديدها من خلال المحاكاة والتعلم الآلي.

يأمل الباحثون في تحويل معدنهم القابل للطباعة إلى منتجات أقوى، أخف وزنًا، ومقاومة للحرارة، مثل شفرات المراوح في محركات الطائرات، التي تُصنع حاليًا من التيتانيوم الأكثر تكلفة والثقيل.

“إذا استطعنا استخدام مادة أخف وزنًا وعالية القوة، فذلك سيوفر كمية كبيرة من الطاقة لصناعة النقل”، قال قائد الدراسة محادسه طاهري-موسافي، التي أصبحت الآن أستاذة مساعدة في جامعة كارنيجي ميلون.

إلى جانب صناعة الطيران والنقل، يتصور الباحثون أن تُستخدم سبيكتهم القابلة للطباعة في أجهزة التبريد لمراكز البيانات والسيارات الفاخرة. يبرز عملهم كيف يلتقي التصنيع الإضافي وتصميم السبائك المدفوع بالذكاء الاصطناعي لإنشاء مواد أخف وزنًا، أقوى، وأكثر كفاءة حرارية، وهي خصائص أساسية لدفع الطائرات المستقبلية وأنظمة الطاقة.

في جزء آخر من العالم، أفادت شركة تصنيع محركات الطيران التركية TEI بأنها طورت أكثر من 20 سبيكة فائقة فريدة وسبيكات التيتانيوم لاستخدامها في تكنولوجيا محركات الطائرات المقاتلة وطائرات الهليكوبتر.

“الحروب تُفوز الآن في المختبرات والمصانع. التكنولوجيا التي تنتجها تحدد مصير الحرب.”

– المدير العام لشركة TEI محموت فاروق أكسيت

مع وصول درجات الحرارة داخل محركات الطائرات إلى مستويات مرتفعة للغاية، “نصف درجة حرارة سطح الشمس”، يتطلب ذلك معادن يمكنها العمل في مثل هذه الحرارة القصوى. وهذا يجعل “أنظمة التبريد، الطلاءات الخاصة، وتكنولوجيات المواد أمرًا حيويًا للغاية”، أضاف.

يتسارع الزخم المماثل في الصين، حيث يعمل الباحثون حاليًا على تقنية تبريد سبيكة فائقة جديدة لتحسين أداء ومتانة مكونات محركات التوربينات ذات الحرارة العالية، مما يمكن أن يتيح محركات طائرات متقدمة.

كما أن الباحثين الصينيين أنشأوا تقنية جديدة لإنتاج شفرات توربين سبيكية يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى بنسبة 15٪ من الإصدارات الحالية. من المتوقع أن توفر هذه المقاومة الحرارية المعززة قوة دفع أكبر للمحرك، كفاءة طاقة أفضل، وعمرًا أطول.

“تدمج هذه الطريقة بنية مركبة من النحاس-المغنيسيوم-الصلب داخل الشفرة باستخدام تقنيات المعالجة الحرارية الميكانيكية”، وفقًا لبراءة الاختراع. “هذا يمكّن الشفرة من الحفاظ على وظائفها على المدى الطويل تحت ظروف حرارة مرتفعة للغاية.”

إن استخدام التوصيل الحراري للنحاس ومقاومة الصلب للحرارة يجعل المركب مناسبًا لتطبيقات مستقبلية في طائرات ومجالات احتراق محركات الصواريخ. هكذا يعمل العلماء حول العالم على تحسين جوانب مختلفة من محركات الطائرات، مما يساعد على إحداث ثورة في مجال الطيران وتوليد الطاقة.

انقر هنا لتتعرف على كيفية إحداث سبيكة نانوية بلورية محسنة ثورة في قطاعي الطيران والسيارات.

الاستثمار في تقدم محركات الطائرات

شركة الفضاء والدفاع، Raytheon Technologies (RTX )، هي واحدة من أبرز المستثمرين العالميين في المواد المتقدمة والابتكار في الدفع عبر subsidiary Pratt & Whitney. يقدم هذا القسم محركات الطائرات للعملاء العسكريين، طائرات الأعمال، التجارية، والطيران العام.

لها قسمان آخران: Collins Aerospace يقدم منتجات وتقنيات متقدمة في الفضاء والدفاع وحلول خدمات ما بعد البيع، وRaytheon تطور قدرات متقدمة في الدفاع الجوي والصاروخي، الأسلحة الذكية، وغيرها.

تقوم الشركة بتمويل وتعاون منتظم مع مبادرات البحث الأكاديمية والحكومية سعيًا للحصول على مواد ذات كفاءة أعلى ودرجة حرارة أعلى لمحركات الطائرات من الجيل التالي. وتستكشف السبائك المقاومة للحرارة، المركبات المصنوعة من مصفوفة السيراميك (CMCs)، وتقنيات التصنيع الإضافي.

مع قيمة سوقية تبلغ 239.5 مليار دولار، يتداول RTX حاليًا بسعر 178.75 دولار، بارتفاع 54.38٪ هذا العام حتى الآن. فقط الأسبوع الماضي، وصلت أسهم RTX إلى أعلى مستوى تاريخي (ATH) وهو 180.50 دولار. قبل عامين فقط، كانت أسعار أسهم الشركة تتداول تحت 100 دولار.

لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 4.87 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) يبلغ 36.68. عائد الأرباح الموزع للمساهمين هو 1.52٪.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، أبلغ RTX عن مبيعات بقيمة 22.5 مليار دولار للربع الثالث من عام 2025، بزيادة 12٪ عن العام السابق.

سجل قسم Pratt & Whitney ربحًا تشغيليًا قدره 751 مليون دولار، بارتفاع 35٪ ومبيعات معدلة بقيمة 8.42 مليار دولار، بزيادة 16٪ مقارنة بالعام السابق. قاد هذا النمو في المبيعات زيادة بنسبة 23٪ في ما بعد البيع التجاري، التي ارتفعت بفضل حجم أكبر في كل من المحركات التجارية الكبيرة وPratt Canada، وزيادة بنسبة 15٪ في القطاع العسكري نتيجة برنامج F135، وزيادة بنسبة 5٪ في المعدات التجارية نتيجة زيادة حجم المحركات التجارية الكبيرة.

في الوقت نفسه، شهد مورد الأنظمة الإلكترونية للطائرات وغيرها من أنظمة الطائرات Collins Aerospace زيادة في الإيرادات بنسبة 8٪ لتصل إلى 7.62 مليار دولار، مع نمو ناتج عن مبيعات عسكرية، معدات أصلية للطائرات الجديدة، وشركات الطيران التي تشتري إصلاحات ومزيدًا من الأجزاء. ارتفعت إيرادات Raytheon بنسبة 10٪ لتصل إلى 7.05 مليار دولار حيث ظل الطلب على أنظمة الدفاع الجوي والبرامج البحرية قويًا.

كان ربح السهم وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا (GAAP) 1.41 دولار، والرّبح المعدل 1.70 دولار. كان التدفق النقدي التشغيلي للربع 4.6 مليار دولار، والتدفق النقدي الحر 4 مليار دولار. كما أبلغت عن تراكم طلبات بقيمة 251 مليار دولار، شملت 148 مليار دولار في القطاع التجاري و103 مليار دولار في الدفاع.

“مكننا من تنفيذ قوي في الربع الثالث من تحقيق نمو مبيعات عضوي مزدوج الرقم عبر جميع الأقسام الثلاثة وتوسيع هامش القسم المعدل للعام السادس على التوالي”، قال الرئيس التنفيذي كريس كالو. “كما تلقينا جوائز جديدة بقيمة 37 مليار دولار في الربع، مما يعكس طلبًا عالميًا قويًا على منتجاتنا ويدعم النمو الطويل الأجل لـ RTX.”

سددت RTX ديونًا بقيمة 2.9 مليار دولار في الربع الثالث وأعادت 900 مليون دولار للمساهمين.

استنادًا إلى هذا الأداء و”قوة الطلب المستمرة”، رفعت الشركة توقعاتها للعام الكامل مع الإشارة إلى التزامها “بتنفيذ طلباتنا المتراكمة بقيمة 251 مليار دولار وزيادة إنتاجنا لدعم الارتفاع عبر البرامج الحرجة، مع الاستثمار في منتجات وخدمات الجيل التالي التي تلبي احتياجات عملائنا.”

أحدث أخبار وأسهم Raytheon Technologies (RTX) وتطوراتها

الخلاصة

تلعب السبائك ذات درجات الحرارة العالية دورًا حيويًا في علم المواد وتكنولوجيا الطاقة. يدفع العالم نحو الكفاءة والاستدامة، مما يعني أننا بحاجة إلى مواد يمكنها تحمل الظروف القصوى، وهذا الطلب في تزايد مستمر.

على مدى عقود، كانت السبائك الفائقة القائمة على النيكل هي الخيار القياسي لأجزاء التوربينات ومحركات الطائرات. لكنها تصل إلى حدودها. لهذا السبب يثير الاكتشاف الأخير لسبيكة Cr-Mo-Si المرنة والمقاومة للأكسدة حماسًا كبيرًا. إذا تمكن الباحثون من تطويرها وتوسيع إنتاجها، قد تُحدث هذه السبائك المقاومة للحرارة من الجيل التالي ثورة في مجال الفضاء، مما يسمح لمحركات الطائرات بالعمل عند درجات حرارة تتجاوز ما هو ممكن اليوم. لا تتوقف التطبيقات المحتملة عند هذا الحد، فقد يفتح ذلك أبوابًا لإنتاج الطاقة، التسخين الصناعي، وحتى الدفع الفضائي.

بالطبع، الانتقال من اكتشاف مختبري إلى واقع تجاري ليس أمرًا بسيطًا أبدًا. سيحتاج العلماء إلى ضبط تركيبة السبيكة بدقة، وحل تحديات التصنيع، وتطوير طرق لإنتاجها بكميات كبيرة. ولكن حتى مع هذه العقبات، يفتح هذا الاختراق آفاقًا واعدة جديدة لهندسة درجات الحرارة العالية.

انقر هنا لتتعرف على كل ما يتعلق بالاستثمار في التيتانيوم.

المراجع

1. هينريكس، ف.، وينكنز، ج.، كرامر، ل. ك.، فالكاو، ج.، هان، إ. م.، شليبهاك، د.، أوسترهولتز، م. ك.، سين، س.، جاليتز، م. س.، إينوي، ه.، كوفمان، أ.، & هيلماير، م. (2025). سبيكة كروم–موليبدينوم مرنة مقاومة للأكسدة عند درجات حرارة عالية. Nature, 646, 331–337. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-8

2. طاهري-موسافي، س. م.، شو، م.، هينغسباخ، ف.، هاوزر، س.، جي، ز.، غلاسر، ب.، وي، س.، شابر، م.، ليبو، ج. م.، أولسون، ج. ب.، & هارت، أ. ج. (2025). سبائك ألمنيوم عالية القوة قابلة للتصنيع الإضافي مع بنى دقيقة مقاومة للتقشر تم تحقيقها عبر التصلب السريع. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202509507