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. Hitzebeständige Metalle wie Wolfram (W), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) mit Schmelzpunkten von etwa 2 000 °C oder höher und außergewöhnlicher Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze, Verschleiß und Verformung sind für solche Anwendungen ideal.

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

Als Ergebnis können diese Materialien nur unter komplexen Vakuumbedingungen, etwa in rotierenden Röntgenanoden, effektiv eingesetzt werden. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Ingenieure lange auf nickelbasierte Superlegierungen zurückgegriffen, 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 Beständigkeit gegen extreme Hitze und hohen Stress bekannt ist. Sie besitzen zudem gute Oberflächen- und Phasenstabilität, und hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit.

Diese Legierungen wurden zunächst für Flugzeugturbinen entwickelt, nur um im Laufe der Zeit auf viele andere 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 bekannt für seine Verwendung in rostfreien Stahlegierungen. Es spielt zudem eine wichtige Rolle für die Energiedichte und Leistung von Batterien, was längere Reichweiten in Elektrofahrzeugen ermöglicht. 

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

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

Sie weisen zudem hohe Temperaturfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, geringes 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 eigene Einschränkungen, darunter hohe Kosten, Schwierigkeiten bei der Bearbeitung wegen Kaltverfestigung und geringe Wärmeleitfähigkeit sowie Anfälligkeit für Risse beim Schweißen und beim additiven Fertigen. Sie können zudem unter Oxidation leiden und erfahren verschlechterte mechanische Eigenschaften durch die Bildung unerwünschter Ausscheidungen.

“Die bestehenden Superlegierungen bestehen aus vielen verschiedenen Metallelementen, darunter selten verfügbare, 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 Verfahrenstechnik am KIT

Aber das Problem liegt in ihren Betriebstemperaturen, die “die Temperaturen sind, in 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 höhere Effizienz in Turbinen oder anderen Hochtemperaturanwendungen auszuschöpfen. Die Tatsache ist, dass die Effizienz von Verbrennungsprozessen mit steigender Temperatur zunimmt.”

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

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Cr‑Mo‑Si‑Refraktallegierung: Duktilität bei Raumtemperatur + 1 100 °C Oxidationsbeständigkeit

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

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

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

Ein Weg, die Effizienz der Energieumwandlung aus fossilen oder synthetischen Kraftstoffen zu steigern, besteht also darin, die Betriebstemperaturen zu erhöhen. Dafür müssen jedoch einkristalline nickelbasierte Superlegierungen durch refraktäre Materialien in den heißesten Bereichen von Turbinen ersetzt werden, die deutlich höhere Solidustemperaturen von über 2 000 °C aufweisen.

Der Ersatz fortschrittlicher Ni‑basierter Superlegierungen durch neue metall‑intermetallische Materialien wird jedoch durch zwei Hauptbeschränkungen behindert. Dies umfasst einen 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. Dies ist trotz des erheblichen Fortschritts bei der computerunterstützten Materialentwicklung der Fall. Infolgedessen müssen Wissenschaftler und Ingenieure sich auf Beobachtungen verlassen.

Veröffentlicht in Nature stellte die neueste Studie mit dem Titel ‘A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation‘ das neue Material vor: eine einkristalline Cr‑36.1Mo‑3Si‑Legierung.

Der auf reinen Metallen basierende Werkstoff „ist bei Raumtemperatur duktil, sein Schmelzpunkt liegt bei etwa 2 000 °C und – im Gegensatz zu bislang bekannten refraktären Legierungen – oxidiert er nur langsam, selbst im kritischen Temperaturbereich“, sagte Dr. Alexander Kauffmann, Professor an der Ruhr‑Universität Bochum, der maßgeblich an dieser Entdeckung beteiligt war.

Der Einsatz von Cr und Mo adressiert die Probleme von refraktiven Metallelementen, die in Oxidation Schwierigkeiten zeigen und ihre Anwendung einschränken. Während Cr die Bildung einer schützenden Cr₂O₃‑Schicht fördert, macht Mo die Regionen beständig gegen Nitridierung. 

Si wird als geringes drittes Element eingesetzt, um ein langsames Wachstum der Cr₂O₃‑Schicht zu gewährleisten. Durch die geringe Menge konnten die Forscher einkristalline, ungeordnete Festlösungen synthetisieren.

Mit seinen unvergleichlichen Eigenschaften „nährt sich diese Vision, Komponenten zu fertigen, die bei deutlich höheren Temperaturen als 1 100 °C betrieben werden können. Das Ergebnis unserer Forschung hat das Potenzial, einen echten technologischen Sprung zu ermöglichen“, sagte Kauffmann.

Doch obwohl das Material die wichtigsten kritischen Anforderungen an refraktäre Werkstoffe erfüllt, muss es, um auf industriellem Niveau eingesetzt zu werden, „viele weitere Entwicklungsschritte“ durchlaufen.

„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 Haltbarkeits‑Grenzen traditioneller nickelbasierter Superlegierungen durchbrechen, entstehen ähnliche Durchbrüche weltweit.

Zu Beginn dieses Jahres entdeckte ein Team des Ames National Laboratory eine neue Legierung, die potenziell nickel‑ und kobaltbasierte Superlegierungen ersetzen könnte, deren Hitzetoleranzgrenzen die Energieeffizienz verbessern.

Sie wandten sich außerdem natürlich den refraktären Metallen zu, weil diese die einzigen sind, deren Schmelzpunkte deutlich über denen von Nickel und Kobalt liegen. Aber natürlich gibt es die komplexe Aufgabe, sie zu fertigen und zu Bauteilen zu formen.

Die Forscher entschieden sich daher, refraktäre Metalle zu Mehr‑Prinzip‑Element‑Legierungen zu kombinieren, die nicht auf einem einzelnen Element basieren, sondern auf drei oder mehr Elementen, wobei keiner mehr als 50 % der Gesamtzusammensetzung 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 vom US-Energieministerium betriebenen National Laboratory der Iowa State University.

Allerdings bedeutet das Mischen von mehr als drei Elementen, dass „Millionen von Kombinationen zu durchsuchen sind“, was ein zeitaufwändiger Prozess ist. Dank KI konnten sie jedoch Zeit und Geld sparen und „es beim ersten Versuch richtig machen“.

Um 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 Belastungsresistenz bei höheren Temperaturen und die erforderliche Duktilität für die Fertigung mittels kommerziell etablierter Verfahren. 

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 haben Forscher am MIT Maschinelles Lernen (ML) mit Metall‑3D‑Druck kombiniert², um eine Al‑basierte Legierung zu entwerfen, deren gedruckte Teile die Festigkeit von 7075‑Wrought erreichen – und nach 400 °C‑Alterung etwa 50 % stärker sind als das stärkste druckbare Al‑Benchmark.

Um dieses neue Metall zu erzeugen, mischte das Team Aluminium mit anderen Elementen, die durch Simulationen und ML identifiziert wurden.

Die Forscher hoffen, ihr neues druckbares Metall in stärkere, leichtgewichtigere und temperaturbeständige Produkte zu verwandeln, etwa Fan‑Blätter in Strahltriebwerken, die derzeit mit teurerem und schwererem Titan hergestellt werden.

“Wenn wir leichtere, hochfeste Materialien einsetzen können, würde das einen erheblichen Energieeinsparungen für die Transportindustrie bedeuten”, sagte die Studienleiterin Mohadeseh Taheri‑Mousavi, jetzt Assistenzprofessorin an der Carnegie Mellon University.

Abgesehen von der Luft‑ und Raumfahrt‑ und Transportindustrie sehen die Forscher ihre druckbare Legierung für Kühlgeräte in Rechenzentren und Hochleistungs‑Automobile eingesetzt. Ihre Arbeit betont, wie additive Fertigung und KI‑gesteuertes Legierungsdesign zusammenkommen, um leichtere, stärkere und thermisch effizientere Materialien zu schaffen – Eigenschaften, die für zukünftige Strahlantriebe und Energiesysteme entscheidend sind.

In einem anderen Teil der Welt hat der türkische Luftfahrt‑Motorenhersteller TEI gemeldet, über 20 einzigartige Superlegierungen und Titanlegierungen für den Einsatz in Kampfflugzeug‑ und Hubschrauber‑Motortechnologien zu entwickeln.

“Kriege werden jetzt in Laboren und Fabriken entschieden. Die Technologie, die Sie produzieren, bestimmt das Schicksal des Krieges.”

– TEI‑Geschäftsführer Mahmut Faruk Aksit

Da die Temperaturen in Flugzeugtriebwerken extrem hoch sind, „halb so heiß wie die Sonnenoberfläche“, werden Metalle benötigt, die in solch extremer Hitze funktionieren. Das macht „Kühlsysteme, Spezialbeschichtungen und Materialtechnologien zu kritischen Faktoren“, fügte er hinzu.

Ähnliche Dynamik entsteht in China, wo Forscher derzeit an einer neuen Superlegierungs‑Kühltechnik arbeiten, um die Leistung und Haltbarkeit von Hochtemperatur‑Turbinen‑Motorkomponenten zu verbessern, was fortschrittliche Strahltriebwerke ermöglichen könnte.

Chinesische Forscher haben außerdem eine neue Technik entwickelt, um Legierungs‑Turbinen‑Schaufeln zu produzieren, die Temperaturen bis zu 15 % höher als bestehende Versionen standhalten. Diese verbesserte Hitzebeständigkeit soll zu höherem Schub, besserer Energieeffizienz und längerer Lebensdauer führen.

“Dieses Verfahren integriert eine Kupfer‑Magnesium‑Stahl‑Verbundstruktur in die Schaufel mittels thermomechanischer Verarbeitung”, heißt es in dem Patent. “Damit kann die Schaufel ihre langfristige Funktionalität unter extremen Hochtemperaturbedingungen aufrechterhalten.”

Der Einsatz von Kupfers Wärmeleitfähigkeit und Stahls Hitzebeständigkeit macht den Verbund für zukünftige Anwendungen in Flugzeugen und Raketen‑Motor‑Verbrennungsräumen geeignet. So arbeiten Wissenschaftler weltweit daran, verschiedene Aspekte von Strahltriebwerken zu verbessern und die Luftfahrt sowie die 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 durch seine Tochtergesellschaft Pratt & Whitney. Dieser Bereich liefert Triebwerke für militärische, Business‑Jet‑, kommerzielle und allgemeine Luftfahrtkunden.

Es hat zwei weitere Geschäftsbereiche: Collins Aerospace liefert technologisch fortschrittliche Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie Verteidigungsprodukte und 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 zur Entwicklung von höher‑effizienten, höher‑temperaturbeständigen Materialien für die nächste Generation von Strahltriebwerken. Es erforscht refraktäre Legierungen, keramische Matrix‑Verbundstoffe (CMCs) und additive Fertigungstechniken. 

Mit einer Marktkapitalisierung von 239,5 Mrd. $ notiert RTX derzeit bei 178,75 $, ein Anstieg von 54,38 % in diesem Jahr bisher. Erst letzte Woche erreichten RTX‑Aktien ein Allzeithoch (ATH) von 180,50 $. Vor zwei Jahren lag der Aktienkurs noch unter 100 $.