Ny Cr-Mo-Si-legering kan omskrive jetmotorers varmelimitter

Forskere har udviklet et nyt materiale med bemærkelsesværdig høj temperaturbestandighed, hvilket 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), krom (Cr) og molybdæn (Mo) med ekstremt høje smeltepunkter på omkring 2.000 grader Celsius eller højere og enestående modstand mod varme, slid og deformation er 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 vakuumforhold, såsom i roterende røntgenanoder. For at overvinde disse begrænsninger har ingeniører i lang tid været afhængige af 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 exceptionelle mekaniske egenskaber og modstand mod ekstrem varme og høj belastning. Den har også god overflade- og fase-stabilitet, og høj oxidations- og korrosionsbestandighed.

Disse legeringer blev oprindeligt udviklet til flyturbine-motorer, kun for senere at udvide til mange andre krævende anvendelser over tid, 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 er udsat for temperaturvariationer og fugtighed. Ved at være modstandsdygtige over for oxidation og korrosion, forlænger nikkellegeringer komponenternes levetid, og dermed forbedres drifts­effektiviteten og sikkerheden.

Nikkelbaserede superlegeringer er faktisk de mest udbredte til de varmeste dele, 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, letvægts holdbarhed, og god elektrisk ledningsevne.

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

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

“De eksisterende superlegeringer er lavet af mange forskellige metaliske 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 Anvendte Materialer, Materialvidenskab og Ingeniørkunst

Men problemet er deres driftstemperaturer, som er “de temperaturer, hvor de kan bruges 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 højtemperaturapplikationer. Faktisk øges effektiviteten i forbrændingsprocesser med temperaturen.”

For at fjerne fjerne disse begrænsninger, den tyske forskningsstiftelse (DFG) gav finansiering, og forskerne med succes udviklede¹ en ny legering af krom (Cr), molybdæn (Mo) og silicium (Si).

Klik her for at lære om hyperadaptor-legeringen, der er designet 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 hvert fald i de kommende årtier.

Swipe for at rulle →

Elektricitet-drevne fly, bemærkede Heilmaier, “vil næppe være egnet til langdistancerejser i de næste årtier. Derfor vil en betydelig reduktion af brændstofforbruget være et vitalt spørgsmål.”

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

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

Udskiftningen af avancerede nikkelbaserede superlegeringer med nye metal‑intermetallic materialer hæmmes dog af to primære begrænsninger. Dette inkluderer 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 præcise 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, den seneste undersøgelse med titlen ‘En duktil krom‑molybdæn‑legering, der er modstandsdygtig over for højtemperaturoxidation‘ introducerede det nye materiale: en enkeltfase Cr-36.1Mo-3Si legering.

Den på refraktære metaller baserede legering “er duktil ved stuetemperatur, dens smeltepunkt er så højt som omkring 2.000 grader Celsius, og – i modsætning til de hittil kendte refraktære legeringer – oxiderer den kun langsomt, selv i det kritiske temperaturinterval,” sagde Dr. Alexander Kauffmann, professor ved Ruhr-Universität 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‑skala, gør Mo regionerne modstandsdygtige over for nitridation.

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

Med sine uovertrufne egenskaber “nærer dette visionen om at kunne fremstille komponenter, der er egnet til driftstemperaturer væsentligt højere end 1.100 grader Celsius. Således 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 gennemgå “mange andre udviklingsstadier” for at kunne anvendes på industrielt niveau.

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 fører 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 ved Ames National Laboratory opdagede en ny legering til potentielt at erstatte nikkel- og koboltbaserede superlegeringer, hvis varmebestandighedsgrænser forbedrer energieffektiviteten.

De vendte også naturligt mod refraktære metaller, fordi de er de eneste med smeltepunkter langt højere end nikkel og kobolt. Men selvfølgelig er der den komplekse problematik med 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 kombinationen 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, at der er “millioner af kombinationer at søge efter,” hvilket er en tidskrævende proces. Men takket være AI kunne de spare tid og penge og “få det rigtigt” på første forsøg

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

“Vi samlede en teoristøttet metode, 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 brug af kommercielt etablerede metoder.

Ames‑teamets tilgang fremhæver, hvordan design kan accelerere opdagelser, der tidligere tog år med forsøg og fejl. På baggrund af dette samarbejde mellem beregning og eksperimentering, forskere ved MIT kombinerede maskinlæring (ML) med metal‑3D‑print² designede en Al‑baseret legering, hvis trykte dele matcher styrken af smedet 7075 – og efter 400 °C ældning er ~50 % stærkere end den stærkeste trykbare 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 trykbare metal til at blive lavet til stærkere, lettere og temperaturbestandige produkter, såsom blæserblade i jetmotorer, som i øjeblikket fremstilles med dyrere og tungere titanium.

“Hvis vi kan bruge lettere, højstyrkemateriale, vil dette spare en betydelig mængde energi for transportsektoren,” sagde studielederen Mohadeseh Taheri-Mousavi, som nu er lektor ved Carnegie Mellon University.

Udover luftfarts- og transportindustrien forestiller forskerne sig, at deres trykbare 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 afgørende for fremtidig jetpropulsion og energisystemer.

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

“Krig bliver nu vundet i laboratorier og fabrikker. Den teknologi du producerer bestemmer krigens skæbne.”

– TEI General Manager Mahmut Faruk Aksit

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

Lignende momentum udfolder sig i Kina, hvor forskere i øjeblikket arbejder på en ny superlegering køleteknik for at forbedre ydeevnen og holdbarheden af højtemperatur turbine‑motor komponenter, som kan muliggøre avancerede jetmotorer.

Kinesiske forskere har også skabte 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 motor­træk, bedre energieffektivitet og længere levetid.

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

Brugen af kobbers termiske ledningsevne og stålets varmebestandighed gør kompositten egnet til fremtidige anvendelser i fly- og raketmotorforbrændingskamre. Sådan arbejder forskere over hele verden 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 jetmotorudvikling 

Luftfarts‑ og forsvarsselskab, 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 divisioner: Collins Aerospace leverer teknologisk avancerede luftfarts‑ og forsvarsprodukter samt eftermarkedstjenester, og Raytheon udvikler avancerede kapaciteter inden for luft‑ og missilforsvar, smarte våben og andre.

Selskabet finansierer regelmæssigt og samarbejder med akademiske og statslige forskningsinitiativer i jagten på mere effektive, højere temperaturmaterialer til næste generations jetmotorer. Det udforsker refraktære legeringer, keramiske matrixkompositter (CMCs) og additive fremstillingsteknikker. 

Med en markedsværdi på $239,5 milliarder, RTX handles i øjeblikket til $178,75, op 54,38% dette år indtil videre. Allerede i sidste uge nåede RTX-aktier et rekordhøjt (ATH) på $180,50. For kun to år siden blev selskabets aktiekurser handlet under $100.