Uusi Cr-Mo-Si-seos voi kirjoittaa uudelleen suihkumoottorin lämpörajat

Tutkijat ovat kehittäneet uuden materiaalin, jolla on poikkeuksellisen korkea lämpötilankestävyys, osoittaen vahvaa potentiaalia suihkumoottoreissa käytettäväksi.

Tehokkaat teknologiat, kuten suihkumoottorit, kaasupuristimet, teollisuuslaitteet ja röntgenlaitteet, vaativat materiaaleja, jotka kestävät äärimmäisiä lämpötiloja. Kestävät metallit, kuten volframi (W), kromi (Cr) ja molybdeeni (Mo), joilla on erittäin korkea sulamispiste noin 2000 °C tai enemmän sekä poikkeuksellinen vastustuskyky lämmölle, kulumiselle ja muodonmuutokselle, ovat ihanteellisia tällaisiin sovelluksiin.

Kuitenkin, vaikka nämä metallit osoittavat vaikuttavaa termistä vakautta, ne muuttuvat erittäin hauraiksi huoneenlämmössä. Nämä metallit hapettuvat myös nopeasti altistuessaan hapelle, mikä johtaa materiaalin epäonnistumiseen lämpötiloissa 600–700 °C välillä.

Tämän seurauksena näitä materiaaleja voidaan käyttää tehokkaasti vain monimutkaisissa tyhjiöolosuhteissa, kuten röntgenin pyörivissä anodeissa. Näiden rajoitusten voittamiseksi insinöörit ovat pitkään turvautuneet nikkelipohjaisiin superseoksiin rakentaakseen komponentteja, jotka joutuvat kestämään suurta lämpöä.

Nikkelipohjaiset superseokset: Vahvuudet, rajoitukset ja miksi ne saavuttavat maksimiarvonsa

Superseos on korkean suorituskyvyn seos tunnettu poikkeuksellisista mekaanisista ominaisuuksistaan ja vastustuskyvystään äärimmäistä lämpöä ja suurta rasitusta vastaan. Niillä on myös hyvä pinta- ja vaihe‑stabiilisuus, jakorkea oksidointi- ja korroosionkestävyys.

Nämä seokset kehitettiin alun perin lentokoneiden turbiinimoottoreita varten, vain laajentuakseen moniin muihin vaativiin sovelluksiin aikaan myötä, mukaan lukien kaasupuristimet, rakettimoottorit, sähkön tuotanto, kemiallinen prosessointi ja öljyteollisuus. 

Ne perustuvat pääasiassa nikkeliin, rautaan tai kobolttiin ja pystyvät säilyttämään mekaanisen eheyden lämpötiloissa, joissa useimmat muut seokset epäonnistuisivat. 

Nikkeli (Ni) on tässä keskeinen. Hopeanvalkoinen, kiiltävä siirtymämetalli on tunnettu käytöstään ruostumattomien terässeosten osana. Se vaikuttaa merkittävästi akkujen energian tiheyteen ja suorituskykyyn, mahdollistaen pidemmät kyvyt sähkö ajoneuvot. 

Metallin ominaisuudet ovat myös kriittisiä ilmailukomponenteille, jotka altistuvat lämpötilavaihteluille ja kosteudelle. Olemalla vastustuskykyisiä oksidointia ja korroosiota vastaan, nikkeliseokset pidentävät komponenttien käyttöikää, näin parantaen operatiivista tehokkuutta ja turvallisuutta.

Nikkelipohjaiset superseokset ovat todellakin laajimmin käytettyjä kuumimmissa osissa, muodostaen yli 50% kehittyneiden lentokoneiden moottorien painosta, kiitos poikkeuksellisen vastustuskykynsä vastaan viskoa ja stressikatkeumaa korkeissa lämpötiloissa.

Ne myös osoittavat korkean lämpötilan lujuuden, väsymiskestävyyden, kevyen kestävyyden ja hyvän sähkönjohtavuuden.

Nämä monikomponenttiset seokset koostuvat nikkelistä ja voivat sisältää seosaineita kuten alumiinia (Al), kromia (Cr), kobolttia (Co), titaania (Ti) ja molybdeenia (Mo) parantaakseen ominaisuuksiaan.

Nikkelipohjaisilla superseoksilla on omat rajoituksensa, kuitenkin, mukaan lukien korkea hinta, vaikeus koneistuksessa työkovettumisen vuoksi ja alhainen lämmönjohtavuus, sekä alttius halkeilulle hitsauksessa ja lisäainevalmistuksessa. Ne voivat myös kokea oksidointia ja voida kokea heikentyneitä mekaanisia ominaisuuksia ei-toivottujen kiteiden muodostumisen vuoksi.

“Nykyiset superseokset koostuvat monista eri metallielementeistä, mukaan lukien harvoin saatavilla olevista, joten ne yhdistävät useita ominaisuuksia. Ne ovat muovautuvia huoneenlämmössä, vakaita korkeissa lämpötiloissa ja vastustuskykyisiä oksidointia vastaan.”

– Professori Martin Heilmaier KIT:n Soveltavan Materiaalin, Materiaalitieteen ja Tekniikan laitokta

Mutta ongelmana ovat niiden käyttölämpötilat, jotka ovat lämpötilat, joissa ne voidaan käyttää turvallisesti, ja ne ulottuvat jopa 1 100 °C. Hän lisäsi:

“Tämä on liian alhainen, jotta voitaisiin hyödyntää täysi potentiaali turbiinien tai muiden korkean lämpötilan sovellusten tehokkuuden parantamiseksi. Tosiasia on, että polttoprosessien hyötysuhde kasvaa lämpötilan noustessa.” 

Poistaakseenpoistaakseen nämä rajoitukset, Saksan Tutkimusrahasto (DFG) myönsi rahoitusta, ja tutkijat menestyksekkäästi kehittivät¹ uuden seoksen kromista (Cr), molybdeenista (Mo) ja piistä (Si).

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja äärimmäisiin teollisuusvaatimuksiin suunnitellusta hyperadaptor-seoksesta.

Cr-Mo-Si-kestävä seos: Huoneenlämpöinen muovautuvuus + 1 100 °C oksidointikestävyys

Vaikka autot ja kuorma-autot sähköistetään nopeasti kestävän liikenteen ja sektorin hiilineutraaliuden saavuttamiseksi, pitkän matkan lentokoneiden polttomoottorit tulevat edelleen olemaan tarpeen, ainakin tulevina vuosikymmeninä.

Swipe to scroll →

Sähköllä toimivat lentokoneet, Heilmaier totesi, “eivät todennäköisesti sovellu pitkän matkan lentoihin seuraavien vuosikymmenten aikana. Siksi merkittävä polttoaineenkulutuksen vähennys on elintärkeä asia.”

Turbiinissa pelkkä 100 °C:n lämpötilan nousu voi vähentää polttoaineenkulutusta noin 5 %.

Joten yksi tapa parantaa fossiilisten tai synteettisten polttoaineiden energiatehokkuutta on nostaa niiden käyttölämpötiloja. Mutta sen saavuttamiseksi yksikiteisiä nikkelipohjaisia superseoksia on korvattava kestävyysmateriaaleilla turbiinien kuumimmissa osissa, jotka omaavat paljon korkeammat kiinteäpisteen lämpötilat yli 2 000 °C.

Kehittyneiden nikkelipohjaisten superseosten korvaaminen uusilla metallialumiinisilla materiaaleilla on kuitenkin estynyt kahden päärajoituksen takia. Tämä sisältää oksidointikestävyyden puutteen ja/tai huoneenlämpöisen muovautuvuuden puutteen.

Asia on siinä, että muovautuvuutta ja oksidointikestävyyttä ei voida ennustaa riittävän tarkasti mahdollistamaan kohdennetun materiaalisuunnittelun.

Tällä hetkellä ei ole tarkkoja ennustavia simulointikykyjä kummankaan ominaisuuden osalta. Tämä on huolimatta merkittävästä edistyksestä, joka on saavutettu tietokoneavusteisessa materiaalikehityksessä. Tämän seurauksena tutkijoiden ja insinöörien on turvauduttava havaintoihin.

Nature-lehdessä julkaistu viimeisin tutkimus, jonka otsikko on ‘Muovautuva kromi-molybdeeni-seos, joka on kestävää korkean lämpötilan oksidointia vastaan‘ esitteli uuden materiaalin: yksivaiheisen Cr-36.1Mo-3Si-seoksen.

Kestävien metallien pohjainen seos on huoneenlämpöisesti muovautuva, sen sulamispiste on noin 2 000 °C, eikä – toisin kuin tähän mennessä tunnetut kestävyysseokset – se oksidoidu nopeasti, vaikka kriittisellä lämpötila-alueella,” sanoi tohtori Alexander Kauffmann, Ruhrin yliopiston professori Bochumista, joka oli merkittävässä roolissa tässä löydössä.

Kromin ja molybdeenin käyttö tässä käsittelee kestävien metallielementtien ongelmia, joita ilmenee oksidoinnissa, mikä rajoittaa niiden soveltamista. Kun taas Kromi johtaa suojaavan Cr2O3-kerroksen muodostumiseen, Mo tekee alueista vastustuskykyisiä nitridaatiolle. 

Si:ää käytetään pienoisena kolmantena elementtinä varmistamaan hidas kasvu Cr2O3-kerroksessa. Sen vähäinen määrä mahdollisti tutkijoille syntetisoida yksivaiheisia, epäjärjestäytyneitä kiinteitä liuoksia.

Sen vertaansa vailla olevien ominaisuuksien ansiosta “tämä ruokkii visiota tehdä komponentteja, jotka soveltuvat käyttölämpötiloihin huomattavasti yli 1 100 °C. Näin ollen tutkimuksemme tuloksella on potentiaalia mahdollistaa todellinen teknologinen harppaus,” Kauffmann sanoi.

Mutta vaikka materiaali täyttää tärkeimmät kriittiset vaatimukset kestävien materiaalien osalta, sen täytyy käydä läpi monia muita kehitysvaiheita ennen kuin sitä voidaan käyttää teollisella tasolla.

Silti, “perustutkimuksessamme tekemämme löytö on saavuttanut tärkeän virstanpylvään. Tutkimusryhmät ympäri maailmaa voivat nyt rakentaa tämän saavutuksen päälle,” Heilmaier sanoi.

Kuka johtaa materiaalikilpailua: Yhdysvallat, Eurooppa, Kiina, Turkki

Kun tutkijat jatkavat murtamista lämpö- ja kestävyys esteitä perinteisten nikkelipohjaisten superseosten, samankaltaiset läpimurrot muotoutuvat ympäri maailmaa.

Tänä vuonna Amesin kansallisessa laboratoriossa tiimi löysi uuden seoksen joka mahdollisesti korvaa nikkeli- ja koboltipohjaiset superseokset, joiden lämpötilankestävyyden rajoitukset parantavat energiatehokkuutta.

He kääntyivät myös luonnollisesti kestäviin metalleihin, koska ne ovat ainoita, joiden sulamispiste on paljon korkeampi kuin nikkelin ja koboltin. Mutta tietysti, niiden valmistus ja muotoilu osiksi on monimutkainen asia.

Joten tutkijat päättivät yhdistää kestävät metallit moniperustaisiksi seoksiksi, jotka eivät perustu yhteen elementtiin vaan kolmeen tai useampaan, eikä mikään ylitä 50 % kokonaiskoostumuksesta.

“Olemme ymmärtäneet, että näiden muuten hauraiden puhtaiselementtien yhdistäminen merkittävin määrin luo atomirakenteita, joilla on uusia, ainutlaatuisia ominaisuuksia.”

– Tiimin vetäjä Nicholas Argibay, joka on tiedemies Ames Labissa, Yhdysvaltain energiaministeriön Office of Science -kansallisessa laboratoriossa, jota Iowa State University ylläpitää. 

Kuitenkin, kun yhdistetään yli kolme elementtiä, se tarkoittaa “miljoonia yhdistelmiä, joita on etsittävä,” mikä on aikaa vievä prosessi. Kiitos tekoälyn, he pystyivät säästämään aikaa ja rahaa ja “saavuttamaan oikean” tuloksen ensimmäisellä kerralla

Joten löytääkseen materiaalit ja niiden koostumuksen, tutkijat hyödyntivät laskennallista kehystä, jonka kehittivät kaksi Ames Lab -tiedemiestä, Prashant Singh ja Duane Johnson.

“Kokosimme teoreettisesti ohjatun menetelmän, joka linkittyy kokeisiin. Se ohjaa kokeilijat oikeaan suuntaan uusille seoksille, joilla on halutut erityisominaisuudet.”

– Johnson

Tämä uusi seos osoittaa enemmän joustavuutta muodonmuutokselle korkeammissa lämpötiloissa ja tarvittavat muovautuvuus ominaisuudet jotta se voidaan valmistaa kaupallisesti vakiintuneilla menetelmillä. 

Amesin tiimin lähestymistapa korostaa, miten suunnittelu voi nopeuttaa löytöjä, jotka ennen kestäivät vuosia kokeiluja ja virheitä. Rakentaen tähän yhteistyöhön laskennan ja kokeilun välillä, MIT:n tutkijat yhdistivät koneoppimisen (ML) metallin 3D-tulostukseen² suunnitellakseen alumiinipohjaisen seoksen, jonka tulostetut osat vastaavat 7075‑alumiinin lujuutta – ja 400 °C:n ikääntymisen jälkeen ovat ~50 % vahvempia kuin vahvin tulostettava alumiinivertailu. 

Luodakseen tämän uuden metallin, tiimi sekoitti alumiinia muiden elementtien kanssa, jotka tunnistettiin simulointien ja koneoppimisen avulla.

Tutkijat toivovat, että heidän uusi tulostettava metallinsa muutetaan vahvemmiksi, kevyemmiksi, ja lämpötilankestäviksi tuotteiksi, kuten puhallinlapoiksi suihkumoottoreissa, jotka valmistetaan kalliimmalla ja raskaammalla titaanilla.

“Jos voimme käyttää kevyempää, korkealujuista materiaalia, se säästäisi merkittävän määrän energiaa liikennealalta,” sanoi tutkimuksen johtaja Mohadeseh Taheri-Mousavi, joka on nyt apulaisprofessori Carnegie Mellon -yliopistossa.

Avaruusteollisuuden ja kuljetusalan lisäksi tutkijat näkevät tulostettavan seoksensa käytettävän datakeskusten jäähdytyslaitteissa ja huippuluokan autoissa. Heidän työnsä korostaa, miten lisäainevalmistus ja tekoälypohjainen seosmuotoilu yhdistyvät luodakseen kevyempiä, vahvempia ja lämpötehokkaampia materiaaleja, ominaisuuksia, jotka ovat olennaisia tulevaisuuden suihkukäyttövoiman ja energiajärjestelmien kannalta.

Toisessa osassa maailmaa turkkilainen ilmailumotorivalmistaja TEI on raportoinut kehittävänsä yli 20 ainutlaatuista superseosta ja titaanisekoitusta käytettäväksi hävittäjä- ja helikopterimotoriteknologiassa.

“Sodat voitetaan nykyään laboratorioissa ja tehtaissa. Tuottamasi teknologia määrää sodan kohtalon.”

– TEI:n yleisjohtaja Mahmut Faruk Aksit

Kun lentokoneen moottorin sisälämpötilat nousevat äärimmäisen korkeiksi, “puoliksi auringon pinnan lämpötilaa”, tarvitaan metalleja, jotka voivat toimia näin äärimmäisessä kuumuudessa. Tämä tekee  “jäähdytysjärjestelmistä, erikoispinnoitteista ja materiaaliteknologioista kriittisesti tärkeitä,” hän lisäsi.

Samankaltaista vauhtia tapahtuu Kiinassa, jossa tutkijat tällä hetkellä työskentelevät uuden superseos-jäähdytystekniikan parantamiseksi korkean lämpötilan turbiinimoottorin komponenttien suorituskykyä ja kestävyyttä, joka voi mahdollistaa kehittyneet suihkumoottorit.

Kiinan tutkijat ovat myös luoneet uuden tekniikan seoksisten turbiinilapojen valmistamiseksi, jotka kestävät jopa 15 % korkeampia lämpötiloja kuin nykyiset versiot. Tämä parannettu lämmönkestävyys odotetaan tuottavan suurempaa moottorin työntövoimaa, parempaa energiatehokkuutta ja pidempää käyttöikää.

“Tämä menetelmä upottaa kupari-magnesium-teräs-komposiittirakenteen lapaan käyttäen termomekaanisia prosessointitekniikoita,” patentti kertoo. “Tämä mahdollistaa lapojen pitkäaikaisen toimivuuden äärimmäisissä korkean lämpötilan olosuhteissa.”

Kuparin lämmönjohtavuuden ja teräksen lämmönkestävyyden käyttö tekee komposiitista sopivan tuleviin sovelluksiin lentokoneissa ja rakettimoottorin palotiloissa. Näin tiedemiehet ympäri maailmaa pyrkivät parantamaan suihkumoottorien eri osa-alueita, edistäen ilmailun ja energian tuotannon vallankumousta.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja siitä, miten parannettu nanokiteinen seos voisi mullistaa ilmailu‑ ja autosektorit.

Sijoittaminen suihkumoottorin kehittämiseen

Avaruus- ja puolustusteollisuuden yritys, Raytheon Technologies (RTX ), on yksi johtavista maailmanlaajuisista sijoittajista edistyneisiin materiaaleihin ja propulsioinnovaatiotaan tytäryhtiönsä Pratt & Whitney kautta. Tämä segmentti toimittaa lentokoneen moottoreita sotilas-, liikekone-, kaupallisille ja yleisille lentokoneasiakkaille.

Seellä on kaksi muuta segmenttiä: Collins Aerospace tarjoaa teknologisesti edistyneitä avaruus- ja puolustustuotteita sekä jälkimarkkinapalveluratkaisuja, ja Raytheon kehittää kehittyneitä kykyjä ilma- ja ohjuspuolustuksessa, älyaseissa ja muissa.

Yritys rahoittaa säännöllisesti ja tekee yhteistyötä akateemisten ja hallituksen tutkimushankkeiden kanssa tavoitteenaan kehittää korkeampitehokkaita, korkeampilämpötilaisia materiaaleja seuraavan sukupolven suihkumoottoreita varten. Se tutkii kestäviä seoksia, keraamisia matriisikomposiitteja (CMCs) ja lisäainevalmistustekniikoita. 

239,5 miljardin dollarin markkina-arvolla RTX:n osakekurssi on tällä hetkellä 178,75 $, noussut 54,38 % tänä vuonna tähän mennessä. Viime viikolla RTX:n osakkeet saavuttivat kaikkien aikojen korkeimman tason (ATH) 180,50 $. Vain kaksi vuotta sitten yhtiön osakekurssi oli alle 100 $.

Sen EPS (TTM) on 4,87 ja P/E (TTM) 36,68. Osakkeenomistajille tarjottu osinkotuotto on 1,52 %.

Kun tarkastellaan yhtiön taloutta, RTX raportoi 22,5 miljardia dollarin myynnistä vuoden 2025 kolmannella neljänneksellä, 12 % kasvun edellisvuoteen verrattuna. 

Pratt & Whitney -segmentti ilmoitti 751 miljoonan dollarin liiketuloksesta, 35 % nousu, ja 8,42 miljardia dollaria säädetystä myynnistä, 16 % nousu edellisvuoteen verrattuna. Tämä myynnin kasvu johtui 23 %:n noususta kaupallisessa jälkimarkkinassa, mikä johtui suurempien kaupallisten moottoreiden ja Pratt Canada -volyymin kasvusta, 15 %:n sotilaskasvu F135-ohjelman takia, ja 5 %:n kaupallinen OE:n nousu suurten kaupallisten moottoreiden volyymin kasvun seurauksena.

Sillä välin sen lentokoneiden elektroniikka- ja muut lentokonejärjestelmien toimittaja Collins Aerospace näki liikevaihdon kasvavan 8 % 7,62 miljardiin dollariin, kasvun lähteenä sotilasmyynti, uudet suihkukoneiden alkuvarusteet ja lentoyhtiöiden ostamat korjaukset ja lisäosat. Raytheonin liikevaihto nousi 10 % 7,05 miljardiin dollariin, kun sekä sen ilmapuolustusjärjestelmien että laivaston ohjelmien kysyntä pysyi vahvana.

Yhtiön GAAP EPS oli 1,41 $, ja säädetty EPS 1,70 $. Toiminnallinen kassavirta neljänneksellä oli 4,6 miljardia $, ja vapaa kassavirta oli 4 miljardia $. Se raportoi myös 251 miljardia $ takuuvaraston, josta 148 miljardia $ kaupallista ja 103 miljardia $ puolustusta.

“Vahva toteutus kolmannella neljänneksellä mahdollisti kaksinumeroisen orgaanisen myynnin kasvun kaikissa kolmessa segmentissä ja kuudennen peräkkäisen vuoden ylikorostetun segmenttimarginaalin laajentumisen,” sanoi toimitusjohtaja Chris Calio. “Saimme myös 37 miljardia dollaria uusia sopimuksia neljänneksellä, mikä heijastaa vahvaa globaalia kysyntää tuotteillemme ja tukee RTX:n pitkän aikavälin kasvua.”

RTX maksoi kolmannella neljänneksellä 2,9 miljardia dollaria velkaa ja palautti 900 miljoonaa dollaria osakkeenomistajille.

Tämän suorituskyvyn ja “jatkuvan kysynnän vahvuuden” perusteella yhtiö nosti koko vuoden ennustetta huomauttaen sitoutumisestaan “toteuttaa 251 miljardia dollaria takuuvarastoa ja lisätä tuotantoa tukemaan kriittisiä ohjelmia, samalla investoiden seuraavan sukupolven tuotteisiin ja palveluihin, jotka täyttävät asiakkaidemme tarpeet.”

Viimeisimmät Raytheon Technologies (RTX) -osaketuotteet ja kehitykset

Yhteenveto

Korkean lämpötilan seoksilla on keskeinen rooli materiaalitieteessä ja energiateknologiassa. Maailman pyrkimys tehokkuuteen ja kestävyyteen tarkoittaa, että tarvitsemme materiaaleja, jotka kestävät äärimmäisiä olosuhteita, ja tämä tarve kasvaa jatkuvasti.

Vuosikymmeniä nikkelipohjaiset superseokset ovat olleet vakiovalinta turbiini- ja suihkumoottorin osille. Mutta ne saavuttavat rajojaan. Siksi äskettäinen muovautuvan, oksidointikestävän Cr-Mo-Si-seoksen löytö herättää innostusta. Jos tutkijat pystyvät kehittämään ja skaalaamaan tuotantoa, nämä seuraavan sukupolven kestävyysseokset voivat mullistaa ilmailun, mahdollistaen suihkumoottoreiden toiminnan lämpötiloissa, jotka ylittävät nykyiset mahdollisuudet. Mahdolliset sovellukset eivät rajoitu tähän, sillä se voi avata ovia energian tuotantoon, teolliseen lämmitykseen ja jopa avaruuspropulsioon.

Tietenkin laboratoriolöydöstä kaupalliseen todellisuuteen siirtyminen ei ole koskaan yksinkertaista. Tiedemiehillä on tarkennettava seoksen koostumusta, ratkaistava valmistushaasteita ja kehitettävä tapoja tuottaa sitä suurina määrinä. Mutta näistä haasteista huolimatta tämä läpimurto avaa lupaavia uusia mahdollisuuksia korkean lämpötilan tekniikassa.

Klikkaa tästä saadaksesi kaikki tiedot titaaniin sijoittamisesta.

Lähteet

1. Hinrichs, F., Winkens, G., Kramer, L. K., Falcão, G., Hahn, E. M., Schliephake, D., Eusterholz, M. K., Sen, S., Galetz, M.