Ny Cr-Mo-Si legering kan omskrive jetmotorers varmelimitter

Forskere har udviklet et nyt materiale med bemærkelsesværdig høj temperaturbestandighed, som viser stort potentiale til brug i jetmotorer.

Kraftfulde teknologier som jetmotorer, gasturbiner, industrimaskiner og røntgenudstyr kræver materialer, der kan modstå ekstremt høje temperaturer. Refraktære metaller som wolfram (W), chrom (Cr) og molybdæn (Mo) har meget høje smeltepunkter på omkring 2.000 grader Celsius eller højere samt enestående modstand mod varme, slid og deformation og er derfor ideelle til sådanne anvendelser.

Men selvom disse metaller udviser imponerende termisk stabilitet, bliver de meget sprøde ved stuetemperatur. De oxiderer også hurtigt, når de udsættes for ilt, hvilket fører til materialefailure ved temperaturer mellem 600 og 700 grader Celsius.

Som følge heraf kan disse materialer kun anvendes effektivt under komplekse vakuumbetingelser, såsom i roterende røntgenanoder. For at overvinde disse begrænsninger har ingeniører i lang tid benyttet nikkelbaserede superlegeringer til at bygge komponenter, der skal modstå høj varme.

Nikkelbaserede superlegeringer: Styrker, begrænsninger og hvorfor de når deres grænse

En superlegering er en højtydende legering kendt for sine enestående mekaniske egenskaber og modstand mod ekstrem varme og højt stress. De har også god overflade- og fase‑stabilitet samt høj oxidations‑ og korrosionsbestandighed.

Disse legeringer blev oprindeligt udviklet til flyturbine‑motorer, men udvidede sig over tid til mange andre krævende anvendelser, herunder gasturbiner, raketmotorer, energiproduktion, kemisk bearbejdning og petroleumsanlæg.

De er primært baseret på nikkel, jern eller kobolt og kan opretholde mekanisk integritet ved temperaturer, hvor de fleste andre legeringer ville fejle.

Nikkel (Ni) er af afgørende betydning her. Det sølvhvide, skinnende overgangsmetal er kendt for sin anvendelse i rustfri stållegeringer. Det spiller faktisk en vigtig rolle i batteriers energitæthed og ydeevne, hvilket muliggør længere rækkevidde i elektriske køretøjer.

Metallets egenskaber er også kritiske for luftfartskomponenter, som udsættes for temperaturvariationer og fugtighed. Da de er modstandsdygtige over for oxidation og korrosion, forlænger nikkellegeringer komponenternes levetid, hvilket dermed forbedrer drifts‑effektivitet og sikkerhed.

Nikkelbaserede superlegeringer er faktisk mest udbredt til de varmeste dele og udgør over 50 % af vægten i avancerede flymotorer, takket være deres fremragende modstand mod krybning og spændingsbrud ved høje temperaturer.

De udviser også høj temperaturstyrke, træthedsmodstand, letvægtig holdbarhed og god elektrisk ledningsevne.

Disse flerkomponentlegeringer består af nikkel og kan inkludere legeringselementer som aluminium (Al), chrom (Cr), kobolt (Co), titanium (Ti) og molybdæn (Mo) for at forbedre deres egenskaber.

Nickel‑baserede superlegeringer har dog deres egne begrænsninger, herunder høj pris, vanskeligheder ved bearbejdning på grund af arbejdehærdning og lav termisk ledningsevne samt modtagelighed for revnedannelse under svejsning og additiv fremstilling. De kan også lide af oxidation og opleve forringede mekaniske egenskaber på grund af dannelse af uønskede udfældninger.

„De eksisterende superlegeringer er sammensat af mange forskellige metal‑elementer, herunder sjældent tilgængelige, så de kombinerer flere egenskaber. De er duktil ved stuetemperatur, stabile ved høje temperaturer og modstandsdygtige over for oxidation.“

– Professor Martin Heilmaier fra KIT’s Institut for Anvendt Materiale, Materialvidenskab og Ingeniørkunst

Men problemet er deres driftstemperaturer, som er “de temperaturer, hvor de kan anvendes sikkert,” og de spænder op til 1.100 grader Celsius. Han tilføjede:

„Dette er for lavt til at udnytte det fulde potentiale for større effektivitet i turbiner eller andre højtemperatur‑applikationer. Faktisk øges effektiviteten i forbrændingsprocesser med temperaturen.“

For at fjerne disse begrænsninger stillede den tyske forskningsstiftelse (DFG) finansiering til rådighed, og forskerne udviklede succesfuldt udviklede¹ en ny legering af chrom (Cr), molybdæn (Mo) og silicium (Si).

Klik her for at lære om hyperadaptor‑legeringen, der er udviklet til ekstreme industrielle krav.

Cr-Mo-Si refraktær legering: Duktilitet ved stuetemperatur + 1.100 °C oxidationsbestandighed

Mens biler og lastbiler hurtigt elektrificeres for at opnå bæredygtig transport og afkarbonisere sektoren, vil forbrændingsmotorer i langdistanceluftfartøjer stadig være nødvendige, i det mindste i de kommende årtier.

Swipe for at rulle →

El‑drevne fly, bemærkede Heilmaier, “vil næppe være egnet til langdistanceflyvninger i de næste årtier. Derfor vil en betydelig reduktion af brændstofforbruget være en væsentlig udfordring.”

I en turbine kan en stigning på blot 100 grader Celsius i temperatur reducere brændstofforbruget med omkring 5 %.

Således er én måde at forbedre effektiviteten af energikonvertering fra fossile eller syntetiske brændstoffer på at øge deres driftstemperaturer. Men for at opnå dette skal enkeltkrystallinske nikkelbaserede superlegeringer erstattes af refraktære materialer i de varmeste områder af turbiner, som har langt højere solidus‑temperaturer end 2.000 °C.

Udskiftningen af avancerede Ni‑baserede superlegeringer med nye metalliske‑intermetalliske materialer hæmmes dog af to primære begrænsninger. Dette omfatter mangel på oxidationsbestandighed og/eller duktilitet ved stuetemperatur (RT).

Problemet er, at duktilitet og oxidationsbestandighed ikke kan forudsiges tilstrækkeligt til at muliggøre målrettet materialedesign.

I øjeblikket findes der ingen nøjagtige forudsigende simuleringsmuligheder for nogen af de to egenskaber. Dette på trods af de betydelige fremskridt inden for computerassisteret materialudvikling. Som følge heraf må forskere og ingeniører stole på observationer.

Udgivet i Nature introducerede den seneste undersøgelse med titlen ‘En duktil chromium‑molybdenum‑legering, der er modstandsdygtig over for højtemperatur‑oxidation‘ det nye materiale: en enkelt‑fase Cr‑36.1Mo‑3Si legering.

Den refraktære metalbaserede legering “er duktil ved stuetemperatur, dens smeltepunkt er så højt som omkring 2.000 grader Celsius, og – i modsætning til kendte refraktære legeringer – oxiderer den kun langsomt, selv i det kritiske temperaturinterval,” sagde Dr. Alexander Kauffmann, professor ved Ruhr‑universitetet i Bochum, som spillede en central rolle i denne opdagelse.

Brugen af Cr og Mo her tackler problemerne med refraktære metal‑elementer, som viser problemer med oxidation, der begrænser deres anvendelse. Mens Cr fører til dannelse af en beskyttende Cr₂O₃‑skal, gør Mo regionerne modstandsdygtige over for nitridation.

Si anvendes som et mindre tredje element for at sikre langsom vækst af Cr₂O₃‑skallen. Dens lave mængde gjorde det muligt for forskerne at syntetisere enkelt‑fase, uordnede faste opløsninger.

Med sine enestående egenskaber “nærer dette visionen om at kunne fremstille komponenter egnet til driftstemperaturer væsentligt højere end 1.100 grader Celsius. Dermed har resultatet af vores forskning potentialet til at muliggøre et reelt teknologisk spring,” sagde Kauffmann.

Men selvom materialet opfylder de vigtigste kritiske krav til refraktære materialer, skal det på industrielt niveau gennemgå “mange andre udviklingsfaser”.

Alligevel, “med vores opdagelse i grundforskning har vi nået en vigtig milepæl. Forskningsgrupper over hele verden kan nu bygge videre på denne præstation,” sagde Heilmaier.

Hvem leder materialekapløbet: USA, Europa, Kina, Tyrkiet

Mens forskere fortsætter med at bryde temperatur‑ og holdbarhedsbarriererne for traditionelle nikkelbaserede superlegeringer, tager lignende gennembrud form rundt om i verden.

Tidligere i år opdagede et team på Ames National Laboratory en ny legering, der potentielt kan erstatte nikkel‑ og koboltbaserede superlegeringer, hvis varme‑tolerancelimit kan forbedre energieffektiviteten.

De vendte også naturligt mod refraktære metaller, fordi de er de eneste med smeltepunkter langt højere end dem for nikkel og kobolt. Men naturligvis er der den komplekse problematik omkring fremstilling og formning af dem til dele.

Så besluttede forskerne at kombinere refraktære metaller i multi‑principale‑element‑legeringer, som ikke er baseret på et enkelt element, men på tre eller flere elementer, hvor ingen overstiger 50 % af den samlede sammensætning.

Vi er kommet til at forstå, at kombination af mange af disse ellers sprøde rene elementer i betydelige mængder skaber atomstrukturer med fremkomne, unikke egenskaber.

– Teamleder Nicholas Argibay, som er videnskabsmand ved Ames Lab, et nationalt laboratorium under US Department of Energy Office of Science, drevet af Iowa State University.

Dog betyder blanding af mere end tre elementer sammen “millioner af kombinationer at søge efter”, hvilket er en tidskrævende proces. Men takket være AI kunne de spare tid og penge og “ramme rigtigt” i første forsøg.

Så for at finde materialerne og deres sammensætning benyttede forskerne en beregningsramme, som blev udviklet af to Ames Lab‑forskere, Prashant Singh og Duane Johnson.

Vi samlede en teoridrevet metodik, der grænser til eksperimenter. Den peger eksperimenterne i den rigtige retning for nye legeringer med de specifikke egenskaber, de ønsker i disse materialer.

– Johnson

Denne nye legering udviser større modstandsdygtighed over for deformation ved højere temperaturer og de nødvendige duktilitetsegenskaber til at blive fremstillet ved kommercielt etablerede metoder.

Ames‑teamets tilgang fremhæver, hvordan design kan accelerere opdagelser, som tidligere tog år med forsøg og fejl. På baggrund af dette samarbejde mellem beregning og eksperimentering kombinerede forskere ved MIT maskinlæring (ML) med metal‑3D‑printning for at designe en Al‑baseret legering, hvis printede dele matcher styrken af smidt 7075 – og efter ældning ved 400 °C er ca. 50 % stærkere end det stærkeste printbare Al‑benchmark.

For at skabe dette nye metal blandede teamet aluminium med andre elementer identificeret gennem simulationer og ML.

Forskerne håber at få deres nye printbare metal omdannet til stærkere, lettere og temperaturbestandige produkter, såsom blæserblade i jetmotorer, som i dag fremstilles af dyrere og tungere titanium.

“Hvis vi kan bruge lettere, højstyrke‑materiale, vil dette spare en betydelig mængde energi for transportsektoren,” sagde studiets leder Mohadeseh Taheri‑Mousavi, som nu er lektor ved Carnegie Mellon University.

Ud over luftfarts- og transportindustrien forestiller forskerne sig, at deres printbare legering kan anvendes i køleenheder til datacentre og high‑end biler. Deres arbejde understreger, hvordan additiv fremstilling og AI‑drevet legeringsdesign mødes for at skabe lettere, stærkere og mere termisk effektive materialer, egenskaber som er essentielle for fremtidig jet‑propulsion og energisystemer.

I en anden del af verden har den tyrkiske luftfarts‑motorproducent TEI rapporteret, at de har udviklet over 20 unikke superlegeringer og titaniumlegeringer til brug i kampfly‑ og helikoptermotor‑teknologi.

„Krig vindes nu i laboratorier og fabrikker. Den teknologi, du producerer, bestemmer krigens skæbne.“

– TEI‑administrerende direktør Mahmut Faruk Aksit

Med temperaturer inde i flymotorer, der når ekstremt høje niveauer, ‘halvdelen af solens overfladetemperatur’, kræves der metaller, der kan fungere under så ekstrem varme. Dette gør “kølesystemer, specielle belægninger og materialeteknologier kritisk vigtige,” tilføjede han.

Lignende fremdrift finder sted i Kina, hvor forskere i øjeblikket arbejder på en ny superlegerings‑køleteknik for at forbedre ydeevnen og holdbarheden af højtemperatur‑turbine‑motorkomponenter, hvilket kan muliggøre avancerede jetmotorer.

Kinesiske forskere har også skabt en ny teknik til at producere legerings‑turbinsblade, der kan modstå temperaturer op til 15 % højere end eksisterende versioner. Denne forbedrede varmebestandighed forventes at levere større motor‑træk, bedre energieffektivitet og længere levetid.

“Denne metode indlejrer en kobber‑magnesium‑stål‑kompositstruktur inde i bladet ved hjælp af termo‑mekaniske forarbejdningsteknikker,” står i patentet for teknologien. “Dette gør det muligt for bladet at opretholde langvarig funktionalitet under ekstreme højtemperaturforhold.”

Udnyttelsen af kobbers termiske ledningsevne og stålets varmebestandighed gør kompositten egnet til fremtidige anvendelser i fly- og raketmotor‑forbrændingskamre. Sådan arbejder forskere verden over på at forbedre forskellige aspekter af jetmotorer, hvilket hjælper med at revolutionere luftfart og energiproduktion.

Klik her for at lære, hvordan en forbedret nanokrystallinsk legering kan revolutionere luftfarts‑ og bilsektoren.

Investering i jetmotor‑fremskridt

Luftfarts‑ og forsvarsselskabet Raytheon Technologies (RTX ), er en af de førende globale investorer i avancerede materialer og fremdriftsinnovation gennem sit datterselskab Pratt & Whitney. Denne division leverer flymotorer til militære, forretningsjet, kommercielle og generelle luftfartskunder.

Den har to andre segmenter: Collins Aerospace leverer teknologisk avancerede luftfarts‑ og forsvarsprodukter samt eftermarkedstjenester, og Raytheon udvikler avancerede kapaciteter inden for luft‑ og missilforsvar, smarte våben og andre områder.

Virksomheden finansierer regelmæssigt og samarbejder med akademiske og statslige forskningsinitiativer i jagten på mere effektive, højere‑temperatur‑materialer til næste generations jetmotorer. Den undersøger refraktære legeringer, keramiske matrix‑kompositter (CMCs) og additive fremstillingsteknikker.

Med en markedsværdi på 239,5 milliarder dollars handles RTX i øjeblikket til 178,75 $, en stigning på 54,38 % i år indtil nu. Allerede i sidste uge nåede RTX‑aktier et rekordhøjt (ATH) niveau på 180,50 $. For blot to år siden handlede selskabets aktiekurser under 100 $.

Den har en EPS (TTM) på 4,87 og en P/E (TTM) på 36,68. Udbytteafkastet, der tilbydes aktionærerne, er 1,52 %.

Når det gælder selskabets økonomi, rapporterede RTX et salg på 22,5 milliarder $ for tredje kvartal af 2025, en stigning på 12 % i forhold til året før.

Pratt & Whitney‑segmentet rapporterede en driftsprofit på 751 millioner $, en stigning på 35 %, og justeret salg på 8,42 milliarder $, en stigning på 16 % i forhold til året før. Denne salgsvækst blev drevet af en 23 % stigning i kommercielt eftermarked, som skyldtes højere volumen i både store kommercielle motorer og Pratt Canada, et 15 % spring i militæret på grund af F135‑programmet, samt en 5 % stigning i kommerciel OE som følge af øget volumen af store kommercielle motorer.

Samtidig oplevede leverandøren af avionik og andre flysystemer, Collins Aerospace, en omsætningsstigning på 8 % til 7,62 milliarder $, med vækst fra militært salg, originalt udstyr til nye jetfly og flyselskaber, der købte reparationer og flere dele. Raytheons omsætning steg med 10 % til 7,05 milliarder $, da efterspørgslen efter både deres luftforsvarssystemer og marineprogrammer forblev stærk.

Selskabets GAAP‑EPS var 1,41 $, og justeret EPS var 1,70 $. Driftskontantstrømmen for kvartalet var 4,6 milliarder $, og fri kontantstrøm var 4 milliarder $. Det rapporterede også en ordrerække på 251 milliarder $, som omfattede 148 milliarder $ i kommercielle og 103 milliarder $ i forsvarsprojekter.

“Stærk eksekvering i tredje kvartal gjorde det muligt for os at levere tosifret organisk salgsvækst på tværs af alle tre segmenter og vores sjette på hinanden følgende kvartal med år‑over‑år justeret segmentmargin‑udvidelse,” sagde administrerende direktør Chris Calio. “Vi modtog også 37 milliarder $ i nye kontrakter i kvartalet, hvilket afspejler robust global efterspørgsel efter vores produkter og understøtter langsigtet vækst for RTX.”

RTX betalte 2,9 milliarder $ af gæld i tredje kvartal og returnerede 900 millioner $ til aktionærerne.

Baseret på denne præstation og “vedvarende efterspørgselsstyrke” hævede virksomheden sit helårsperspektiv, mens den bemærkede sin forpligtelse til “at gennemføre vores ordrerække på 251 milliarder $ og øge vores produktion for at støtte opskaleringen på tværs af kritiske programmer, samtidig med at vi investerer i næste generations produkter og tjenester, der opfylder vores kunders behov.”

Seneste nyheder og udviklinger om Raytheon Technologies (RTX) aktien

Konklusion

Højtemperatur‑legeringer spiller en afgørende rolle inden for materialvidenskab og energiteknologi. Verdens bestræbelser på effektivitet og bæredygtighed betyder, at vi har brug for materialer, der kan klare ekstreme forhold, og efterspørgslen på dette øges kun.

I årtier har nikkelbaserede superlegeringer været standardvalget til turbine‑ og jetmotor‑dele. Men de nærmer sig deres grænser. Derfor skaber den seneste opdagelse af en duktil, oxidationsbestandig Cr‑Mo‑Si‑legering stor begejstring. Hvis forskerne kan udvikle og opskalere produktionen, kan disse næste‑generations refraktære legeringer revolutionere luftfart ved at lade jetmotorer køre ved temperaturer langt ud over, hvad der i dag er muligt. De potentielle anvendelser stopper ikke her, da dette kan åbne døre til energiproduktion, industriel opvarmning og endda rumpropulsion.

Selvfølgelig er overgangen fra laboratorieopdagelse til kommerciel realitet aldrig enkel. Forskere skal finjustere legeringens sammensætning, løse produktionsudfordringer og udvikle metoder til at fremstille den i store mængder. Men selv med disse forhindringer i sigte åbner dette gennembrud lovende nye muligheder for højtemperatur‑ingeniørkunst.

Klik her for at lære alt om investering i titanium.

Referencer

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). A ductile chromium–molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation. Nature, 646, 331–337. https://www.scmp.com/news/china/science/article/3312013/chinas-next-gen-turbine-blade-promises-supercharged-jet-power-more-longevity
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). Additively Manufacturable High-Strength Aluminum Alloys with Coarsening-Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification. Advanced Materials. https://www.securities.io/nyse/rtx/