Νέο κράμα Cr-Mo-Si που θα μπορούσε να επαναγράψει τα όρια θερμότητας των αεριοπλάνων

Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ένα νέο υλικό με αξιοσημείωτη αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, δείχνοντας ισχυρό δυναμικό για χρήση σε αεριοπλάνα.

Ισχυρές τεχνολογίες όπως οι αεριοπλονοί, οι αεριοτουρμπίνες, η βιομηχανική μηχανή και ο εξοπλισμός ακτίνων Χ απαιτούν υλικά που μπορούν να αντέξουν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Ανθεκτικά μέταλλα όπως το βολφράμιο (W), το χρώμιο (Cr) και το μολυβδένιο (Mo), με εξαιρετικά υψηλά σημεία τήξης περίπου 2.000 °C ή περισσότερο και εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα, τη φθορά και την παραμόρφωση, είναι ιδανικά για τέτοιες εφαρμογές.

Ωστόσο, ενώ αυτά τα μέταλλα παρουσιάζουν εντυπωσιακή θερμική σταθερότητα, γίνονται πολύ εύθραυστα σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, οξείδονται γρήγορα όταν εκτίθενται σε οξυγόνο, οδηγώντας σε αποτυχία του υλικού σε θερμοκρασίες μεταξύ 600 και 700 °C.

Ως αποτέλεσμα, αυτά τα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά μόνο υπό σύνθετες συνθήκες κενού, όπως στα περιστρεφόμενα άνοδος ακτίνων Χ. Για να ξεπεραστούν αυτά τα όρια, οι μηχανικοί έχουν παρατεταμένα βασιστεί σε νικελιούχες σούπερ-συμπολιές για την κατασκευή εξαρτημάτων που πρέπει να αντέχουν σε υψηλή θερμότητα.

Συμπολιές Βασισμένες σε Νικέλιο: Δυνάμεις, Όρια και Γιατί Φτάνουν στο Μέγιστο

Μια σούπερ-συμπολία είναι μια υψηλής απόδοσης συμπολία γνωστή για τις εξαιρετικές μηχανικές της ιδιότητες και την αντίσταση σε ακραία θερμότητα και υψηλή τάση. Διαθέτουν επίσης καλή σταθερότητα επιφάνειας και φάσης, και υψηλή αντίσταση στην οξείδωση και τη διάβρωση.

Αυτές οι συμπολιές αρχικά αναπτύχθηκαν για κινητήρες αεροπλάνων, μόνο για να επεκταθούν σε πολλές άλλες απαιτητικές εφαρμογές με την πάροδο του χρόνου, συμπεριλαμβανομένων των αεριοτουρμπινών, των κινητήρων πυραύλων, της παραγωγής ενέργειας, της χημικής επεξεργασίας και των πετρελαϊκών εγκαταστάσεων. 

Βασίζονται κυρίως σε νικέλιο, σίδηρο ή κοβάλτιο και μπορούν να διατηρήσουν μηχανική ακεραιότητα σε θερμοκρασίες όπου οι περισσότερες άλλες συμπολιές θα αποτύγχαναν. 

Το νικέλιο (Ni) είναι εδώ καθοριστικό. Το ασημί-λευκό, λαμπρό μετάλλου μετάβασης είναι γνωστό για τη χρήση του σε ατσάλινες κράματα ανοξείδωτου. Παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στην πυκνότητα ενέργειας και την απόδοση των μπαταριών, επιτρέποντας μεγαλύτερο εύρος σε ηλεκτρικά οχήματα. 

Οι ιδιότητες του μετάλλου είναι επίσης κρίσιμες για εξαρτήματα αεροδιαστημικής, τα οποία εκτίθενται σε μεταβολές θερμοκρασίας και υγρασίας. Αντίθετα στην οξείδωση και τη διάβρωση, τα νικελιούχα κράματα παρατείνουν τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων, έτσι βελτιώνοντας την αποδοτικότητα λειτουργίας και την ασφάλεια.

Οι νικελιούχες σούπερ-συμπολιές είναι στην πραγματικότητα οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες για τα πιο θερμά μέρη, αποτελώντας πάνω από το 50 % του βάρους των προηγμένων κινητήρων αεροσκαφών, χάρη στην εξαιρετική τους αντίσταση κατά της παραμόρφωσης (creep) και της ρήξης υπό υψηλή θερμοκρασία.

Επίσης παρουσιάζουν αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, αντοχή στην κόπωση, ελαφριά ανθεκτικότητα και καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Αυτά τα πολυσυστατικά κράματα αποτελούνται από νικέλιο και μπορεί να περιλαμβάνουν στοιχεία κράματος όπως αλουμίνιο (Al), χρώμιο (Cr), κοβάλτιο (Co), τιτάνιο (Ti) και μολυβδένιο (Mo) για την ενίσχυση των ιδιοτήτων τους.

Οι νικελιούχες σούπερ-συμπολιές έχουν τις δικές τους περιορισμούς, ωστόσο, συμπεριλαμβανομένου του υψηλού κόστους, της δυσκολίας στην επεξεργασία λόγω σκληρυντικού έργου και της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας, και της ευαισθησίας σε ρωγμές κατά τη συγκόλληση και την προσθετική κατασκευή. Μπορούν επίσης να υποφέρουν από οξείδωση και να παρουσιάζουν υποβαθμισμένες μηχανικές ιδιότητες λόγω του σχηματισμού ανεπιθύμητων πυκνωμάτων.

«Οι υπάρχουσες σούπερ-συμπολιές αποτελούνται από πολλά διαφορετικά μεταλλικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων σπάνιων, έτσι ώστε να συνδυάζουν πολλές ιδιότητες. Είναι εύκαμπτες σε θερμοκρασία δωματίου, σταθερές σε υψηλές θερμοκρασίες και ανθεκτικές στην οξείδωση.»

– Καθηγητής Martin Heilmaier από το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Υλικών, Επιστήμης Υλικών και Μηχανικής του KIT

Αλλά το ζήτημα είναι οι θερμοκρασίες λειτουργίας τους, που είναι «οι θερμοκρασίες στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια», και κυμαίνονται έως 1.100 °C. Πρόσθεσε:

«Αυτό είναι πολύ χαμηλό για να αξιοποιηθεί το πλήρες δυναμικό για μεγαλύτερη απόδοση σε τουρμπίνες ή άλλες εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας. Το γεγονός είναι ότι η απόδοση στις διαδικασίες καύσης αυξάνεται με τη θερμοκρασία.»

Για να αφαιρεθούν αυτά τα περιοριστικά στοιχεία, το German Research Foundation (DFG) παρείχε χρηματοδότηση, και οι ερευνητές με επιτυχία ανάπτυξαν¹ ένα νέο κράμα από χρώμιο (Cr), μολυβδένιο (Mo) και πυρίτιο (Si).
Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για το κράμα hyperadaptor που έχει σχεδιαστεί για ακραίες βιομηχανικές απαιτήσεις.

Κραματικό Κράμα Cr-Mo-Si: Δυτικότητα σε Θερμοκρασία Δωματίου + Αντίσταση στην Οξείδωση 1 100 °C

Ενώ τα αυτοκίνητα και τα φορτηγά ηλεκτροποιούνται γρήγορα για βιώσιμη μεταφορά και αποανθρακοποίηση του τομέα, οι κινητήρες καύσης σε αεροσκάφη μεγάλης εμβέλειας θα εξακολουθήσουν να χρειάζονται, τουλάχιστον τις επόμενες δεκαετίες.

Σύρετε για κύλιση →

Τα αεροσκάφη που λειτουργούν με ηλεκτρισμό, σημείωσε ο Heilmaier, «θα είναι δύσκολο να είναι κατάλληλα για μακρινές πτήσεις τις επόμενες δεκαετίες. Συνεπώς, η σημαντική μείωση της κατανάλωσης καυσίμου θα είναι ένα ζωτικό ζήτημα».

Σε μια τουρμπίνα, μια αύξηση της θερμοκρασίας κατά μόλις 100 °C μπορεί να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου περίπου 5 %.

Έτσι, ένας τρόπος για να βελτιωθεί η αποδοτικότητα της ενεργειακής μετατροπής από ορυκτά ή συνθετικά καύσιμα είναι η αύξηση των θερμοκρασιών λειτουργίας τους. Αλλά για να το επιτευχθεί, οι μονοκρυσταλλικές νικελιούχες σούπερ-συμπολιές πρέπει να αντικατασταθούν από ανθεκτικά υλικά στις πιο θερμές περιοχές των τουρμπινών, που παρουσιάζουν πολύ υψηλότερα σημεία στερεοποίησης πάνω από 2.000 °C.

Η αντικατάσταση των προηγμένων νικελιούχων σούπερ-συμπολιών με νέα μεταλλικά-διαμεταλλικά υλικά, ωστόσο, εμποδίζεται από δύο κύριους περιορισμούς. Αυτό περιλαμβάνει έλλειψη αντίστασης στην οξείδωση και/ή δυτικότητα σε θερμοκρασία δωματίου (RT). 

Το θέμα είναι ότι η δυτικότητα και η αντίσταση στην οξείδωση δεν μπορούν να προβλεφθούν επαρκώς για να επιτρέψουν στοχευμένο σχεδιασμό υλικών. 

Προς το παρόν, δεν υπάρχουν ακριβείς προγνωστικές προσομοιώσεις για καμία από τις δύο ιδιότητες. Αυτό είναι παρά την σημαντική πρόοδο που έχει σημειωθεί στην υποβοηθούμενη από υπολογιστές ανάπτυξη υλικών. Ως αποτέλεσμα, επιστήμονες και μηχανικοί πρέπει να βασίζονται σε παρατηρήσεις.

Δημοσιεύτηκε στο Nature, η τελευταία μελέτη με τίτλο ‘Ένα εύκαμπτο κράμα χρωμίου-μολυβδενίου ανθεκτικό στην οξείδωση υψηλής θερμοκρασίας‘ παρουσίασε το νέο υλικό: ένα μονοφάσικο κράμα Cr-36.1Mo-3Si.

Το κράμα βασισμένο σε ανθεκτικά μέταλλα «είναι εύκαμπτο σε θερμοκρασία δωματίου, το σημείο τήξης του είναι περίπου 2.000 °C, και – σε αντίθεση με τα γνωστά μέχρι σήμερα ανθεκτικά κράματα – οξείδωσε μόνο αργά, ακόμη και στην κρίσιμη περιοχή θερμοκρασίας», δήλωσε ο Δρ. Alexander Kauffmann, καθηγητής του Ruhr University Bochum, ο οποίος έπαιξε σημαντικό ρόλο σε αυτήν την ανακάλυψη.

Η χρήση του Cr και του Mo εδώ αντιμετωπίζει τα προβλήματα των ανθεκτικών μεταλλικών στοιχείων, που παρουσιάζουν προβλήματα στην οξείδωση, περιορίζοντας την εφαρμογή τους. Ενώ το Cr οδηγεί στη δημιουργία μιας προστατευτικής κλίμακας Cr2O3, το Mo κάνει τις περιοχές ανθεκτικές στην νιτριδία. 

Το Si χρησιμοποιείται ως μικρό τρίτο στοιχείο για να εξασφαλίσει αργή ανάπτυξη της κλίμακας Cr2O3. Η μικρή του ποσότητα επέτρεψε στους ερευνητές να συνθέσουν μονοφάσικές, αταξικές στερεές διαλύσεις.

Με τις απαράμιλλες ιδιότητές του, «αυτό ενισχύει το όραμα να μπορέσουμε να κατασκευάσουμε εξαρτήματα κατάλληλα για λειτουργικές θερμοκρασίες σημαντικά υψηλότερες από 1.100 °C. Έτσι, το αποτέλεσμα της έρευνάς μας έχει τη δυνατότητα να επιφέρει πραγματικό τεχνολογικό άλμα», δήλωσε ο Kauffmann.

Αλλά ενώ το υλικό πληροί τις πιο σημαντικές κρίσιμες απαιτήσεις για ανθεκτικά υλικά, για να χρησιμοποιηθεί σε βιομηχανικό επίπεδο, πρέπει να περάσει από «πολλά άλλα βήματα ανάπτυξης».

Παρόλα αυτά, «με την ανακάλυψή μας στην θεμελιώδη έρευνα, έχουμε φτάσει σε ένα σημαντικό ορόσημο. Ομάδες ερευνητών σε όλο τον κόσμο μπορούν τώρα να βασιστούν σε αυτήν την επίτευξη», δήλωσε ο Heilmaier.

Ποιος Ηγείται του Αγώνα για Υλικά: Η.Π.Α., Ευρώπη, Κίνα, Τουρκία

Καθώς οι ερευνητές συνεχίζουν να σπάζουν<span