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

طور الباحثون مادة جديدة تتمتع بمقاومة حرارة عالية بشكل ملحوظ، مما يُظهر إمكانات قوية لاستخدامها في محركات الطائرات.

التقنيات القوية مثل محركات الطائرات، توربينات الغاز، الآلات الصناعية، ومعدات الأشعة السينية تتطلب مواد يمكنها تحمل درجات حرارة مرتفعة للغاية. المعادن المقاومة للحرارة مثل التنجستن (W)، الكروم (Cr)، والموليبدينوم (Mo)، التي تتميز بنقاط انصهار تصل إلى حوالي 2000 درجة مئوية أو أعلى ومقاومة استثنائية للحرارة، التآكل، والتشوه، تُعد مثالية لمثل هذه التطبيقات.

ومع ذلك، بينما تُظهر هذه المعادن استقرارًا حراريًا مثيرًا للإعجاب، فإنها تصبح هشة جدًا عند درجة حرارة الغرفة. كما أن هذه المعادن تتأكسد بسرعة عند تعرضها للأكسجين، مما يؤدي إلى فشل المادة في درجات حرارة تتراوح بين 600 و700 درجة مئوية.

نتيجة لذلك، لا يمكن استخدام هذه المواد بفعالية إلا تحت ظروف فراغ معقدة، مثل الأنودات الدوارة في أجهزة الأشعة السينية. لتجاوز هذه القيود، اعتمد المهندسون منذ زمن طويل على السبائك الفائقة القائمة على النيكل لبناء المكونات التي يجب أن تتحمل حرارة عالية.

السبائك الفائقة القائمة على النيكل: القوة، الحدود، ولماذا تصل إلى أقصى إمكاناتها

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

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

هي في الأساس تعتمد على النيكل أو الحديد أو الكوبالت ويمكنها الحفاظ على سلامتها الميكانيكية عند درجات حرارة تفشل فيها معظم السبائك الأخرى.

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

خصائص هذا المعدن حاسمة أيضًا للمكونات الجوية، التي تتعرض لتقلبات حرارية ورطوبة. بفضل مقاومته للأكسدة والتآكل، تُطيل سبائك النيكل عمر المكونات، وبالتالي تعزز الكفاءة التشغيلية والسلامة.

تُستخدم السبائك الفائقة القائمة على النيكل في المقام الأول لأكثر الأجزاء حرارة، حيث تشكل أكثر من 50٪ من وزن محركات الطائرات المتقدمة، بفضل مقاومتها الفائقة للانجراف والانكسار تحت الضغط عند درجات حرارة عالية.

كما أنها تُظهر قوة عند درجات حرارة مرتفعة، مقاومة للإجهاد المتكرر، وزن خفيف، وموصلية كهربائية جيدة.

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

ومع ذلك، فإن للسبائك الفائقة القائمة على النيكل حدودًا، مثل التكلفة العالية، صعوبة تشغيلها بسبب الصلابة المتزايدة أثناء القطع، وانخفاض التوصيل الحراري، وكذلك القابلية للتشقق أثناء اللحام والتصنيع الإضافي. يمكنها أيضًا التعرض للأكسدة وتدهور الخصائص الميكانيكية بسبب تكوّن ترسبات غير مرغوبة.

“السبائك الفائقة الحالية مصنوعة من العديد من العناصر المعدنية المختلفة، بما في ذلك بعضها نادر التوفر، بحيث تجمع بين عدة خصائص. هي قابلة للانضغاط عند درجة حرارة الغرفة، مستقرة عند درجات حرارة عالية، ومقاومة للأكسدة.”

– البروفيسور مارتن هيلماير من معهد المواد التطبيقية بجامعة كيت، علوم المواد والهندسة

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

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

لإزالة هذه القيود، قدمت المؤسسة الألمانية للبحث (DFG) التمويل، ونجح الباحثون في تطوير¹ سبيكة جديدة من الكروم (Cr)، الموليبدينوم (Mo)، والسيليكون (Si).

انقر هنا لتتعرف على سبيكة الهايبرأدابتور المصممة لتلبية المتطلبات الصناعية القصوى.

سبائك Cr-Mo-Si المقاومة للحرارة: قابلية انضغاط عند درجة حرارة الغرفة + مقاومة أكسدة حتى 1100 °C

في حين يتم تحويل السيارات والشاحنات بسرعة إلى الكهرباء 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 ملائمة للرحلات طويلة المدى في العقود القادمة. لذا، سيكون تقليل استهلاك الوقود مسألة حيوية.”

في التوربين، يمكن لزيادة درجة الحرارة بمقدار 100 درجة مئوية أن تقلل استهلاك الوقود بحوالي 5 %.

إحدى الطرق لتحسين كفاءة تحويل الطاقة من الوقود الأحفوري أو الصناعي هي رفع درجات حرارة التشغيل. ولكن لتحقيق ذلك، يجب استبدال السبائك الفائقة القائمة على النيكل الأحادية البلورة بمواد مقاومة للحرارة في أكثر المناطق حرارةً في التوربينات، التي تتميز بنقاط صلابة تتجاوز 2000 °C.

يُعوق استبدال السبائك المتقدمة القائمة على النيكل بمواد معدنية-متشابكة جديدة عاملان رئيسيان.  يشمل ذلك نقص مقاومة الأكسدة و/أو قابلية الانضغاط عند درجة حرارة الغرفة.

المسألة هي أن قابلية الانضغاط ومقاومة الأكسدة لا يمكن التنبؤ بهما بدقة كافية لتمكين تصميم مواد مستهدف.

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

نُشر في مجلة Nature، الدراسة الأخيرة بعنوان ‘سبكة كروم-موليبدينوم قابلة للانضغاط ومقاومة للأكسدة عند درجات حرارة عالية‘ التي قدمت المادة الجديدة: سبيكة أحادية الطور Cr-36.1Mo-3Si.

قال الدكتور ألكسندر كاوفمان، أستاذ جامعة روهر بوشوم، والذي لعب دورًا رئيسيًا في هذا الاكتشاف: “السبيكة القائمة على المعادن المقاومة للحرارة “قابلة للانضغاط 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 تواجه صعوبات في الأكسدة، مما يحد من تطبيقها.  بينما يؤدي الكروم إلى تكوين طبقة واقية من Cr2O3، يجعل الموليبدينوم المناطق مقاومة للنترجة.

يُستخدم السيليكون كعنصر ثالث بسيط لضمان نمو بطانة Cr2O3 ببطء. مضمونه القليل مكن الباحثين من تركيب حلول صلبة غير مرتبة أحادية الطور.

بفضل خصائصه الفريدة، “هذا يغذي الرؤية القائلة بأنه يمكن تصنيع مكونات مناسبة لتشغيل درجات حرارة أعلى بكثير من 1100 درجة مئوية. وبالتالي، فإن نتيجة بحثنا قد تمكّن من قفزة تكنولوجية حقيقية”، قال كاوفمان.

لكن رغم أن المادة تلبي أهم المتطلبات الحرجة للمواد المقاومة للحرارة، إلا أنه لاستخدامها على مستوى صناعي، يجب أن تمر بـ “العديد من خطوات التطوير الأخرى”.

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

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

مع استمرار الباحثين في كسر حواجز الحرارة والمتانة للسبائك الفائقة القائمة على النيكل التقليدية، تظهر اختراقات مماثلة حول العالم.

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

كما لجأوا بطبيعة الحال إلى المعادن المقاومة للحرارة لأنها الوحيدة التي تمتلك نقاط انصهار أعلى بكثير من تلك الخاصة بالنيكل 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، دون أن يتجاوز أي منها 50 % من التركيب الكلي.

“لقد أدركنا أن دمج العديد من هذه العناصر النقية الهشة بكميات كبيرة يخلق هياكل ذرية ذات خصائص فريدة ناشئة.”

– قائد الفريق نيكولاس أرغباي، عالم في مختبر إيمز، وهو مختبر وطني تابع لمكتب الطاقة الأمريكي بجامعة 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”إنجاز الأمر بشكل صحيح” من المحاولة الأولى.

لذلك، للعثور على المواد وتركيبتها، استخدم الباحثون إطارًا حسابيًا، تم تطويره من قبل عالمين في إيمز، براشانت سينغ ودوان جونسون.

“قمنا بوضع منهجية موجهة نظريًا تتكامل مع التجارب. إنها توجه التجريبيين نحو الاتجاه الصحيح لاكتشاف سبائك جديدة بالخصائص المحددة التي يرغبون فيها.”

– جونسون

تُظهر هذه السبيكة الجديدة مقاومة أكبر للتشوه عند درجات حرارة أعلى والخصائص اللازمة للانضغاط لتصنيعها باستخدام طرق تجارية معتمدة.

تُبرز منهجية فريق إيمز كيف يمكن للتصميم تسريع الاكتشافات التي كانت تستغرق سنوات من التجربة والخطأ. بالاعتماد على هذا التعاون بين الحوسبة والتجربة، دمج باحثون في MIT التعلم الآلي مع الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن² لتصميم سبيكة قائمة على الألمنيوم، حيث تتطابق قطعها المطبوعة مع قوة الألمنيوم المشكل 7075، وبعد تعتيق عند 400 °C تصبح أقوى بحوالي 50 % من أقوى معيار مطبوع للألمنيوم.

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

يأمل الباحثون أن تُصنع السبيكة القابلة للطباعة إلى منتجات أقوى، أخف وزنًا، ومقاومة للحرارة، مثل شفرات المراوح في محركات الطائرات، التي تُصنع حاليًا من التيتانيوم الأكثر تكلفة وثقلًا.

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

بالإضافة إلى صناعة الطيران والنقل، يتصور الباحثون أن تُستَخدم السبيكة القابلة للطباعة في أجهزة تبريد مراكز البيانات والسيارات الفاخرة. يبرز عملهم كيف يلتقي التصنيع الإضافي وتصميم السبائك المدعوم بالذكاء الاصطناعي لإنشاء مواد أخف وزنًا، أقوى، وأكثر كفاءة حراريًا، وهي خصائص أساسية لمستقبل الدفع النفاث وأنظمة الطاقة.

في جزء آخر من العالم، صرّح مصنع محركات الطيران التركي TEI أنه طور أكثر من 20 سبيكة فريدة من نوعها من النيكل والتيتانيوم للاستخدام في محركات الطائرات المقاتلة ومروحياتها.

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

– المدير العام لـ TEI محمود فاروق أكسيت

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

يتطور الزخم المماثل في الصين، حيث يعمل الباحثون حاليًا على تقنية تبريد للسبائك الفائقة لتحسين أداء ومتانة مكونات محركات التوربينات ذات الحرارة العالية، مما قد يمكّن محركات الطائرات المتقدمة.

كما أن الباحثين الصينيين أنشأوا تقنية جديدة لإنتاج شفرات توربينات سبائكية يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى بنسبة 15 % مقارنة بالإصدارات الحالية. من المتوقع أن تُعطي هذه المقاومة المتزايدة للحرارة دفعًا أكبر للمحرك، كفاءة طاقة أفضل، وعمرًا أطول.

“تدمج هذه الطريقة هيكلًا مركبًا من النحاس-المغنيسيوم-الصلب داخل الشفرة باستخدام تقنيات المعالجة الحرارية الميكانيكية”، وفقًا لبراءة الاختراع. “هذا يمكّن الشفرة من الحفاظ على وظائفها طويلة الأمد تحت ظروف حرارة شديدة.”

استخدام الموصلية الحرارية للنحاس ومقاومة الصلب للحرارة يجعل هذا المركب مناسبًا لتطبيقات مستقبلية في الطائرات و حجرات احتراق محركات الصواريخ. لذا، يعمل العلماء حول العالم على تحسين جوانب مختلفة من محركات الطائرات، مساهمين في ثورة الطيران وتوليد الطاقة.

انقر هنا لتعرف كيف يمكن لسبيكة نانوية محسنة أن تُحدث ثورة في قطاعي الطيران والسيارات.

الاستثمار في تقدم محركات الطائرات

شركة الطيران والدفاع, Raytheon Technologies (RTX ), هي واحدة من أبرز المستثمرين العالميين في المواد المتقدمة وابتكارات الدفع عبر فرعها Pratt & Whitney. يزود هذا الفرع محركات الطائرات للجهات العسكرية، الطائرات الخاصة، التجارية، وعملاء الطيران العام.

لديها فرعان آخران: Collins Aerospace الذي يقدم منتجات دفاعية وطيران متقدمة وحلول خدمة ما بعد البيع، وRaytheon التي تطور قدرات متقدمة في الدفاع الجوي والصواريخ والأسلحة الذكية وغيرها.

تُمول الشركة بانتظام وتُجري تعاونًا مع مبادرات بحثية أكاديمية وحكومية سعيًا للحصول على مواد ذات كفاءة أعلى ودرجة حرارة أعلى لمحركات الجيل القادم. تستكشف السبائك المقاومة للحرارة، المركبات الخزفية المصفوفة (CMCs)، وتقنيات التصنيع الإضافي.

برأس مال سوقي يبلغ 239.5 مليار دولار، يتداول RTX حاليًا بسعر 178.75 دولار، بارتفاع 54.38 % هذا العام حتى الآن. في الأسبوع الماضي، وصلت أسهم RTX إلى أعلى مستوى تاريخي (ATH) عند 180.50 دولار. قبل عامين، كان سعر سهم الشركة أقل من 100 دولار.

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

سجل قطاع Pratt & Whitney ربحًا تشغيليًا قدره 751 مليون دولار، بزيادة 35 % ومبيعات معدلة بقيمة 8.42 مليار دولار، بزيادة 16 % مقارنة بالعام السابق. قاد هذا النمو في المبيعات زيادة بنسبة 23 % في خدمات ما بعد البيع التجارية، مدفوعة بارتفاع حجم المحركات التجارية الكبيرة وPratt Canada، وزيادة بنسبة 15 % في القطاع العسكري بسبب برنامج F135، وزيادة 5 % في OE التجاري نتيجة لارتفاع حجم المحركات التجارية الكبيرة.

في الوقت نفسه، شهد مورد الأنظمة الإلكترونية والطيران Collins Aerospace إيرادات بارتفاع 8 % لتصل إلى 7.62 مليار دولار، مع نمو ناتج عن مبيعات عسكرية، معدات أصلية للطائرات الجديدة، ومشتريات شركات الطيران للإصلاحات وقطع الغيار. قفزت إيرادات Raytheon بنسبة 10 % لتصل إلى 7.05 مليار دولار مع استمرار الطلب القوي على أنظمة الدفاع الجوي والبرامج البحرية.

بلغ ربحية السهم وفق GAAP 1.41 دولار، وربحية السهم المعدلة 1.70 دولار. كان التدفق النقدي التشغيلي للربع 4.6 مليار دولار، والتدفق النقدي الحر 4 مليارات دولار. كما أعلن عن تراكم طلبات بقيمة 251 مليار دولار، شملت 148 مليار دولار من القطاع التجاري و103 مليار دولار من القطاع الدفاعي.

“مكننا من خلال التنفيذ القوي في الربع الثالث تحقيق نمو مبيعات عضوي مزدوج الرقم عبر جميع القطاعات الثلاثة وتوسيع هوامش القطاعات المعدلة للعام السادس على التوالي”، صرح الرئيس التنفيذي كريس كالو. “كما حصلنا على 37 مليار دولار من العقود الجديدة في الربع، مما يعكس طلبًا عالميًا قويًا على منتجاتنا ويدعم النمو الطويل الأمد لـ RTX.”

قامت RTX بسداد ديون بقيمة 2.9 مليار دولار في الربع الثالث وأعادت 900 مليون دولار إلى المساهمين.

استنادًا إلى هذا الأداء و”قوة الطلب المستمرة”، رفعت الشركة توقعاتها للعام الكامل مع الإشارة إلى التزامها بـ “تنفيذ طلباتنا البالغة 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)

الخاتمة

تلعب السبائك ذات درجات الحرارة العالية دورًا حيويًا في علم المواد وتكنولوجيا الطاقة. إن السعي العالمي نحو الكفاءة والاستدامة يعني أننا نحتاج إلى مواد يمكنها تحمل ظروف قصوى، وهذا الطلب في تزايد مستمر.

على مدى عقود، كانت السبائك الفائقة القائمة على النيكل الخيار القياسي لأجزاء توربينات ومحركات الطائرات. لكنها الآن تصل إلى حدودها. لهذا السبب يثير اكتشاف سبيكة Cr-Mo-Si القابلة للانضغاط والمقاومة للأكسدة حماسًا كبيرًا. إذا تمكن الباحثون من تطويرها وتوسيع إنتاجها، قد تُحدث هذه السبائك المقاومة للحرارة من الجيل التالي ثورة في مجال الطيران، مما يسمح للمحركات بالعمل عند درجات حرارة تفوق ما هو ممكن اليوم. ولا تتوقف التطبيقات المحتملة عند هذا الحد، فقد تفتح الأبواب أمام إنتاج الطاقة، التسخين الصناعي، وحتى الدفع الفضائي.

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

انقر هنا لتتعرف على كل ما يتعلق بالاستثمار في التيتانيوم.

المراجع

1. Hinrichs, F., Winkens, G., Kramer, L. K., Falcão, G., Hahn, E. M., Schliephake, D., Eusterholz, M. K., Sen, S., Galetz, M. C., Inui, H., Kauffmann, A., & Heilmaier, M. (2025). سبيكة كروم–موليبدينوم قابلة للانضغاط ومقاومة للأكسدة عند درجات حرارة عالية. Nature, 646, 331–337. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-8
2. Taheri-Mousavi, S. M., Xu, M., Hengsbach, F., Houser, C., Ge, Z., Glaser, B., Wei, S., Schaper, M., LeBeau, J. M., Olson, G. B., & Hart, A. J. (2025). سبائك ألمنيوم عالية القوة قابلة للتصنيع الإضافي مع بنى دقيقة مقاومة للتقشير تم تحقيقها عبر التصلب السريع. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202509507