Neue Cr-Mo-Si-Legierung könnte die Hitzengrenzen von Strahltriebwerken neu definieren

Forscher haben ein neues Material mit bemerkenswert hoher Temperaturbeständigkeit entwickelt, das ein starkes Potenzial für den Einsatz in Strahltriebwerken zeigt.

Leistungsstarke Technologien wie Strahltriebwerke, Gasturbinen, Industriemaschinen und Röntgengeräte benötigen Materialien, die extrem hohen Temperaturen standhalten können. Schmelztemperaturbeständige Metalle wie Wolfram (W), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) mit Schmelzpunkten von etwa 2.000 °C oder höher und außergewöhnlicher Beständigkeit gegen Hitze, Verschleiß und Verformung sind für solche Anwendungen ideal.

Allerdings werden diese Metalle, obwohl sie eine beeindruckende thermische Stabilität aufweisen, bei Raumtemperatur sehr spröde. Sie oxidieren zudem schnell, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt werden, was bei Temperaturen zwischen 600 °C und 700 °C zum Materialversagen führt.

Infolgedessen können diese Materialien nur unter komplexen Vakuumbedingungen, etwa in rotierenden Röntgenanoden, wirksam eingesetzt werden. Um diese Einschränkungen zu überwinden, setzen Ingenieure seit langem auf nickelfreie Superlegierungen, um Bauteile zu bauen, die hohen Temperaturen standhalten müssen.

Nickelbasierte Superlegierungen: Stärken, Grenzen und warum sie an ihre Grenzen stoßen

Eine Superlegierung ist eine Hochleistungslegierung die für ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und ihre Widerstandsfähigkeit gegen extreme Hitze und hohe Belastungen bekannt ist. Sie besitzt zudem gute Oberflächen- und Phasestabilität, und hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit.

Diese Legierungen wurden zunächst für Flugzeugturbinen entwickelt, um später auf viele weitere anspruchsvolle Anwendungen auszuweiten , darunter Gasturbinen, Raketentriebwerke, Stromerzeugung, chemische Verarbeitung und Erdölanlagen.

Sie basieren hauptsächlich auf Nickel, Eisen oder Kobalt und können die mechanische Integrität bei Temperaturen aufrechterhalten, bei denen die meisten anderen Legierungen versagen würden. 

Nickel (Ni) ist hier von zentraler Bedeutung. Das silbrig-weiße, glänzende Übergangsmetall ist für seine Verwendung in rostfreien Stahllegierungen bekannt. Es spielt tatsächlich eine wichtige Rolle bei der Energiedichte und Leistung von Batterien, wodurch längere Reichweiten bei Elektrofahrzeugen ermöglicht werden.

Die Eigenschaften des Metalls sind auch für Luft- und Raumfahrtkomponenten entscheidend, die Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Durch ihre Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation und Korrosion verlängern Nickellegierungen die Lebensdauer von Bauteilen und steigern somit die Betriebseffizienz und Sicherheit.

Nickelbasierte Superlegierungen werden tatsächlich am häufigsten für die heißesten Bauteile verwendet und machen über 50 % des Gewichts moderner Flugzeugtriebwerke aus, dank ihrer herausragenden Beständigkeit gegen Kriechen und Spannungsbruch bei hohen Temperaturen.

Sie weisen zudem Hochtemperaturfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, leichtes Gewicht und gute elektrische Leitfähigkeit auf.

Diese mehrkomponentigen Legierungen bestehen aus Nickel und können Legierungselemente wie Aluminium (Al), Chrom (Cr), Kobalt (Co), Titan (Ti) und Molybdän (Mo) enthalten, um ihre Eigenschaften zu verbessern.

Nickelbasierte Superlegierungen haben jedoch ihre eigenen Einschränkungen, darunter hohe Kosten, Schwierigkeiten bei der Bearbeitung aufgrund von Kaltverfestigung und niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie Anfälligkeit für Rissbildung beim Schweißen und bei der additiven Fertigung. Sie können zudem unter Oxidation leiden und verschlechterte mechanische Eigenschaften erfahren, bedingt durch die Bildung unerwünschter Ausscheidungen.

„Die bestehenden Superlegierungen bestehen aus vielen verschiedenen Metallelementen, einschließlich selten verfügbarer, sodass sie mehrere Eigenschaften kombinieren. Sie sind bei Raumtemperatur duktil, bei hohen Temperaturen stabil und oxidationsbeständig.“

– Professor Martin Heilmaier vom Institut für Angewandte Materialien, Materialwissenschaft und -technik der KIT

Aber das Problem sind ihre Betriebstemperaturen, das sind „die Temperaturen, bei denen sie sicher eingesetzt werden können“, und sie reichen bis zu 1.100 °C. Er fügte hinzu:

„Das ist zu niedrig, um das volle Potenzial für mehr Effizienz in Turbinen oder anderen Hochtemperaturanwendungen auszuschöpfen. Tatsache ist, dass die Effizienz von Verbrennungsprozessen mit steigender Temperatur zunimmt.“

Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Finanzierung bereitgestellt, und die Forscher haben erfolgreich entwickelt¹ eine neue Legierung aus Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Silizium (Si).

Klicken Sie hier, um mehr über die für extreme industrielle Anforderungen entwickelte Hyperadaptor-Legierung zu erfahren.

Cr-Mo-Si-Feuerfeste Legierung: Duktilität bei Raumtemperatur + Oxidationsbeständigkeit bis 1.100 °C

Während Autos und Lastwagen schnell elektrifiziert werden, um nachhaltigen Transport zu erreichen und den Sektor zu dekarbonisieren, werden Verbrennungsmotoren in Langstreckenflugzeugen noch mindestens in den kommenden Jahrzehnten benötigt.

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Elektrisch angetriebene Flugzeuge, bemerkte Heilmaier, „werden in den nächsten Jahrzehnten kaum für Langstreckenflüge geeignet sein. Daher wird eine signifikante Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ein entscheidendes Thema sein.“

In einer Turbine kann bereits eine Temperaturerhöhung von 100 °C den Kraftstoffverbrauch um etwa 5 % senken.

Daher ist ein Weg, die Effizienz der Energieumwandlung aus fossilen oder synthetischen Kraftstoffen zu steigern, die Erhöhung ihrer Betriebstemperaturen. Doch dafür müssen einkristalline nickelbasierte Superlegierungen durch feuerfeste Materialien in den heißesten Bereichen von Turbinen ersetzt werden, die deutlich höhere Solidustemperaturen über 2.000 °C aufweisen.

Der Ersatz fortschrittlicher nickelbasierter Superlegierungen durch neue metallisch-intermetallische Materialien wird jedoch durch zwei Hauptbeschränkungen behindert. Dazu gehören ein Mangel an Oxidationsbeständigkeit und/oder Duktilität bei Raumtemperatur (RT).

Das Problem ist, dass Duktilität und Oxidationsbeständigkeit nicht ausreichend vorhergesagt werden können, um ein gezieltes Materialdesign zu ermöglichen.

Derzeit gibt es keine genauen prädiktiven Simulationsmöglichkeiten für beide Eigenschaften, obwohl erhebliche Fortschritte bei der computergestützten Materialentwicklung erzielt wurden. Deshalb müssen Wissenschaftler und Ingenieure auf Beobachtungen zurückgreifen.

Veröffentlicht in Nature stellte die neueste Studie mit dem Titel ‘Eine duktilen Chrom-Molybdän-Legierung, die hochtemperaturbeständig gegen Oxidation ist‘ das neue Material vor: eine einkristalline Cr-36.1Mo-3Si-Legierung.

Die auf feuerfesten Metallen basierende Legierung „ist bei Raumtemperatur duktil, ihr Schmelzpunkt liegt bei etwa 2.000 °C, und – im Gegensatz zu bisher bekannten feuerfesten Legierungen – oxidiert sie selbst im kritischen Temperaturbereich nur langsam“, sagte Dr. Alexander Kauffmann, Professor an der Ruhr-Universität Bochum, der eine zentrale Rolle bei dieser Entdeckung spielte.

Der Einsatz von Cr und Mo hier adressiert die Probleme von feuerfesten Metallelementen, die bei Oxidation Schwierigkeiten aufweisen und ihre Anwendung einschränken. Während Cr zur Bildung einer schützenden Cr2O3-Schicht führt, macht Mo die Bereiche widerstandsfähig gegen Nitridierung.

Si wird als geringes drittes Element eingesetzt, um das langsame Wachstum der Cr2O3-Schicht zu gewährleisten. Seine geringe Menge ermöglichte es den Forschern, einkristalline, ungeordnete Festlösungen zu synthetisieren.

Mit seinen unvergleichlichen Eigenschaften „fördert dies die Vision, Bauteile herstellen zu können, die für Betriebstemperaturen deutlich über 1.100 °C geeignet sind. Das Ergebnis unserer Forschung hat somit das Potenzial, einen echten technologischen Sprung zu ermöglichen“, sagte Kauffmann.

Doch obwohl das Material die wichtigsten kritischen Anforderungen an feuerfeste Materialien erfüllt, muss es, um industriell eingesetzt zu werden, „viele weitere Entwicklungsschritte“ durchlaufen.

Dennoch, „mit unserer Entdeckung in der Grundlagenforschung haben wir einen wichtigen Meilenstein erreicht. Forschungsgruppen weltweit können nun auf diesem Erfolg aufbauen“, sagte Heilmaier.

Wer führt das Materialrennen an: USA, Europa, China, Türkei

Während Forscher weiterhin die Temperatur- und Haltbarkeitsgrenzen traditioneller nickelbasierter Superlegierungen durchbrechen, entstehen ähnliche Durchbrüche weltweit.

Anfang dieses Jahres entdeckte ein Team des Ames National Laboratory eine neue Legierung, die potenziell nickel- und kobaltbasierte Superlegierungen ersetzen könnte, deren Hitzetoleranzgrenzen die Verbesserung der Energieeffizienz einschränken.

Sie wandten sich auch natürlich feuerfesten Metallen zu, da diese die einzigen mit deutlich höheren Schmelzpunkten als Nickel und Kobalt sind. Natürlich gibt es jedoch die komplexe Herausforderung, sie zu Bauteilen zu verarbeiten und zu formen.

Daher beschlossen die Forscher, feuerfeste Metalle zu Multi‑Principal‑Element‑Legierungen zu kombinieren, die nicht auf einem einzelnen Element, sondern auf drei oder mehr Elementen basieren, wobei keines mehr als 50 % der Gesamtkonzentration ausmacht.

„Wir haben erkannt, dass die Kombination vieler dieser sonst spröden reinen Elemente in signifikanten Mengen atomare Strukturen erzeugt, die emergente, einzigartige Eigenschaften besitzen.“

– Teamleiter Nicholas Argibay, Wissenschaftler am Ames Lab, einem National Laboratory des US-Energieministeriums, betrieben von der Iowa State University.

Allerdings bedeutet das Mischen von mehr als drei Elementen „Millionen von Kombinationen, die durchsucht werden müssen“, was ein zeitaufwändiger Prozess ist. Dank KI konnten sie jedoch Zeit und Geld sparen und „beim ersten Versuch das Richtige treffen“.

Um also die Materialien und ihre Zusammensetzung zu finden, nutzten die Forscher ein rechnergestütztes Framework, das von zwei Ames-Lab-Wissenschaftlern, Prashant Singh und Duane Johnson, entwickelt wurde.

„Wir haben eine theoriegeleitete Methodik zusammengestellt, die mit Experimenten verknüpft ist. Sie weist die Experimentatoren in die richtige Richtung für neue Legierungen mit den spezifischen Eigenschaften, die sie in diesen Materialien haben wollen.“

– Johnson

Diese neue Legierung zeigt mehr Widerstandsfähigkeit gegenüber Verformungen bei höheren Temperaturen und die notwendigen duktilen Eigenschaften, um sie mit kommerziell etablierten Verfahren herzustellen.

Der Ansatz des Ames-Teams verdeutlicht, wie Design Entdeckungen beschleunigen kann, die früher Jahre von Versuch und Irrtum erforderten. Aufbauend auf dieser Zusammenarbeit zwischen Berechnung und Experimentierung kombinierten Forscher am MIT Maschinelles Lernen (ML) mit dem 3D-Druck von Metallen², um eine aluminium-basierte Legierung zu entwerfen, deren gedruckte Teile die Festigkeit von 7075‑Wälzlegierung erreichen – und nach einer Alterung bei 400 °C etwa 50 % stärker sind als der stärkste druckbare Aluminium‑Benchmark.

Die Forscher hoffen, ihr neues druckbares Metall in stärkere, leichtere und temperaturbeständige Produkte zu verwandeln, wie zum Beispiel Lüfterblätter in Strahltriebwerken, die derzeit aus teurerem und schwererem Titan hergestellt werden.

„Wenn wir leichtere, hochfeste Materialien einsetzen können, würde das eine beträchtliche Energiemenge für die Transportindustrie einsparen“, sagte die Studienleiterin Mohadeseh Taheri-Mousavi, die jetzt Assistenzprofessorin an der Carnegie Mellon University ist.

Neben der Luft- und Raumfahrt- und Transportindustrie sehen die Forscher ihre druckbare Legierung in Kühlgeräten für Rechenzentren und hochwertigen Automobilen eingesetzt. Ihre Arbeit betont, wie additive Fertigung und KI‑gestützte Legierungsentwicklung zusammenkommen, um leichtere, stärkere und thermisch effizientere Materialien zu schaffen – Eigenschaften, die für zukünftige Strahltriebwerke und Energiesysteme entscheidend sind.

In einem anderen Teil der Welt hat der türkische Luft- und Raumfahrtmotorenhersteller TEI gemeldet, über 20 einzigartige Superlegierungen und Titanlegierungen für den Einsatz in Kampfflugzeug- und Hubschraubermotoren zu entwickeln.

„Kriege werden heute in Laboren und Fabriken gewonnen. Die von Ihnen produzierte Technologie bestimmt das Schicksal des Krieges.“

– TEI-Geschäftsführer Mahmut Faruk Aksit

Da die Temperaturen in Flugzeugtriebwerken extrem hoch werden, „etwa die Hälfte der Temperatur der Sonnenoberfläche“, benötigen sie Metalle, die unter solch extremen Bedingungen funktionieren. Das macht „Kühlsysteme, Spezialbeschichtungen und Materialtechnologien zu entscheidenden Faktoren“, fügte er hinzu.

Ein ähnlicher Schwung entsteht in China, wo Forscher derzeit arbeiten an einer neuen Superlegierungskühlungstechnik, um die Leistung und Haltbarkeit von Hochtemperatur‑Turbinen­triebwerk­komponenten zu verbessern, was fortschrittliche Strahltriebwerke ermöglichen kann.

Chinesische Forscher haben außerdem entwickelt eine neue Technik zur Herstellung von Legierungsturbinen­schaufeln, die Temperaturen bis zu 15 % höher als bestehende Versionen standhalten können. Diese verbesserte Hitzebeständigkeit sollte mehr Schub, höhere Energieeffizienz und längere Lebensdauer des Triebwerks ermöglichen.

„Dieses Verfahren bettet eine Kupfer‑Magnesium‑Stahl‑Kompositstruktur in die Schaufel ein, wobei thermomechanische Verarbeitungstechniken verwendet werden“, heißt es im Patent zu dieser Technologie. „Damit kann die Schaufel ihre langfristige Funktionalität unter extremen Hochtemperaturbedingungen aufrechterhalten.“

Der Einsatz der thermischen Leitfähigkeit von Kupfer und der Hitzebeständigkeit von Stahl macht das Komposit für zukünftige Anwendungen in Flugzeugen und Raketentriebwerks‑Verbrennungsräumen geeignet. So arbeiten Wissenschaftler weltweit daran, verschiedene Aspekte von Strahltriebwerken zu verbessern und damit die Luftfahrt und Energieerzeugung zu revolutionieren.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie eine verbesserte nanokristalline Legierung die Luft- und Raumfahrt- und Automobilsektoren revolutionieren könnte.

Investitionen in die Weiterentwicklung von Strahltriebwerken 

Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsunternehmen, Raytheon Technologies (RTX ), ist einer der weltweit führenden Investoren in fortschrittliche Materialien und Antriebstechnologien über seine Tochtergesellschaft Pratt & Whitney. Dieser Geschäftsbereich liefert Flugzeugtriebwerke für militärische, Business‑Jet-, kommerzielle und allgemeine Luftfahrtkunden.

Es hat zwei weitere Segmente: Collins Aerospace liefert technologisch fortschrittliche Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsprodukte sowie After‑Market‑Service‑Lösungen, und Raytheon entwickelt fortschrittliche Fähigkeiten in der Luft‑ und Raketenabwehr, intelligenten Waffen und weiteren Bereichen.

Das Unternehmen finanziert regelmäßig und kooperiert mit akademischen und staatlichen Forschungsinitiativen, um Materialien mit höherer Effizienz und höheren Temperaturen für die nächste Generation von Strahltriebwerken zu entwickeln. Es erforscht feuerfeste Legierungen, keramische Matrixverbundwerkstoffe (CMCs) und additive Fertigungstechniken.

Mit einer Marktkapitalisierung von 239,5 Mrd. $, wird RTX derzeit bei 178,75 $ gehandelt, ein Anstieg von 54,38 % in diesem Jahr. Noch letzte Woche erreichten die RTX-Aktien ein Allzeithoch (ATH) von 180,50 $. Vor nur zwei Jahren lag der Aktienkurs des Unternehmens unter 100 $.