Uusi Cr-Mo-Si-seos voi muuttaa suihkumoottorin lämpörajat

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

Tehokkaat teknologiat, kuten suihkumoottorit, kaasuturbiinit, teollisuuslaitteet ja röntgenlaitteet, vaativat materiaaleja, jotka kestävät äärimmäisiä lämpötiloja. Kestävät metallit, kuten volframi (W), kromi (Cr) ja molybdeeni (Mo), joiden sulamispiste on noin 2 000 °C tai korkeampi sekä poikkeuksellinen lämmön, kulutuksen ja muodonmuutoksen kestävyys, ovat ihanteellisia tällaisiin sovelluksiin.

Kuitenkin, vaikka nämä metallit osoittavat vaikuttavaa lämpöstabiilisuutta, ne muuttuvat erittäin hauraiksi huoneenlämmössä. Ne hapettuvat myös nopeasti altistuessaan hapelle, mikä johtaa materiaalin rikkoutumiseen 600–700 °C lämpötilassa.

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, joiden on kestettävä korkea lämpö.

Nickel-Based Superalloys: Strengths, Limits, and Why They’re Maxing Out

Superseos on suorituskykyinen seos, joka on tunnettu poikkeuksellisista mekaanisista ominaisuuksistaan ja kestävyydestään äärimmäistä lämpöä ja suurta rasitusta vastaan. Niillä on myös hyvä pinnan ja faasin vakaus sekä korkea oksidointi- ja korroosionkestävyys.

Nämä seokset kehitettiin alun perin lentokoneiden turbiinimoottoreita varten, mutta ne laajenivat ajan myötä moniin muihin vaativiin sovelluksiin, kuten kaasuturbiineihin, rakettimoottoreihin, sähkön tuotantoon, kemian prosessointiin ja öljyteollisuuteen.

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

Nikkeli (Ni) on tässä keskeisessä roolissa. Hopeanhohtoinen, kiiltävä siirtymämetalli tunnetaan ruostumattomissa terässeoksissa käytöstä. Se vaikuttaa myös merkittävästi akkujen energian tiheyteen ja suorituskykyyn, mahdollistaen pidemmät ajomatkat sähköajoneuvoissa.

Metallin ominaisuudet ovat myös kriittisiä ilmailukomponenteille, jotka altistuvat lämpötilavaihteluille ja kosteudelle. Oksidointi- ja korroosionkestävyytensä ansiosta nikkeliseokset pidentävät komponenttien käyttöikää, parantaen siten toiminnallista tehokkuutta ja turvallisuutta.

Nikkelipohjaisia superseoksia käytetäänkin eniten kuumimmissa osissa, ne muodostavat yli 50 % kehittyneiden lentokoneiden moottoreiden painosta, kiitos poikkeuksellisen kestävyyden virtaumista ja rasitusrikkomuksia vastaan korkeissa lämpötiloissa.

Ne osoittavat myös korkean lämpötilavahvuuden, kestävyyden väsymiselle, kevyen kestävyyden sekä hyvän sähkönjohtavuuden.

Nämä monikomponenttiseokset koostuvat nikkelistä ja voivat sisältää seosaineita kuten alumiinia (Al), kromia (Cr), kobolttia (Co), titaania (Ti) ja molybdeenia (Mo) ominaisuuksien parantamiseksi.

Nikkelipohjaisilla superseoksilla on kuitenkin omat rajoituksensa, kuten korkea hinta, vaikeus koneistaa työkovettumisen ja alhaisen lämmönjohtavuuden vuoksi, sekä alttius halkeilulle hitsauksessa ja lisäainevalmistuksessa. Ne voivat myös kärsiä hapettumisesta ja heikentyä mekaanisesti ei-toivottujen kiteiden muodostumisen vuoksi.

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

– Professori Martin Heilmaier KIT:n soveltavan materiaalitieteen, materiaalitieteen ja tekniikan instituutista

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

“Tämä on liian alhainen hyödyntääkseen täyden potentiaalin turbiinien tai muiden korkean lämpötilan sovellusten tehokkuuden parantamiseksi. Todellisuudessa polttoprosessien hyötysuhde kasvaa lämpötilan noustessa.”

Poistaakseen nämä rajoitukset Saksan Tutkimusrahasto (DFG) myönsi rahoitusta, ja tutkijat onnistuivat kehittämään¹ uuden seoksen, joka koostuu kromista (Cr), molybdeenista (Mo) ja piistä (Si).

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja hyperadaptor-seoksesta, joka on suunniteltu äärimmäisiin teollisuusvaatimuksiin.

Cr-Mo-Si Refractory Alloy: Room-Temp Ductility + 1,100 °C Oxidation Resistance

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 lentoon seuraavien vuosikymmenten aikana. Siksi merkittävä polttoaineenkulutuksen vähennys on elintärkeä kysymys.”

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

Yksi tapa parantaa fossiilisten tai synteettisten polttoaineiden energianmuunnoksen tehokkuutta on nostaa niiden käyttölämpötiloja. Mutta tämän saavuttamiseksi yksikiteisiä nikkelipohjaisia superseoksia on korvattava kestävillä materiaaleilla turbiinien kuumimmissa osissa, joissa sulamispiste on huomattavasti yli 2 000 °C.

Kehittyneiden nikkelipohjaisten superseosten korvaaminen uusilla metallis-intermetallisilla materiaaleilla on kuitenkin estynyt kahden päärajoituksen vuoksi. Näihin kuuluu oksidointikestävyyden puute ja/tai huoneenlämpöinen muovautuvuus (RT).

Ongelma on, 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 materiaalien tietokoneavusteisessa kehittämisessä. Tämän seurauksena tutkijoiden ja insinöörien on luotettava havaintoihin.

Nature-lehdessä julkaistu viimeisin tutkimus, jonka otsikko on ‘A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation’, esitteli uuden materiaalin: yksivaiheisen Cr-36.1Mo-3Si-seoksen.

“Kestävien metallien seos \”on huoneenlämpöinen muovautuva, sen sulamispiste on noin 2 000 °C, ja – toisin kuin tähän mennessä tunnetut kestävät seokset – se hapettuu vain hitaasti, jopa kriittisellä lämpötila-alueella\”, sanoi tohtori Alexander Kauffmann, Ruhrin yliopiston Bochumin professori, joka oli merkittävässä roolissa tässä löydössä.

Kromin ja molybdeenin käyttö tässä ratkaisee kestävien metallielementtien ongelmia, jotka liittyvät hapettumiseen ja rajoittavat niiden soveltamista. Kromi johtaa suojaavan Cr2O3-kerroksen muodostumiseen, kun taas molybdeeni tekee alueista vastustuskykyisiä nitriittimiselle.

Piitä käytetään vähäisenä kolmantena elementtinä varmistamaan Cr2O3-kerroksen hidas kasvu. Pienen määrän ansiosta tutkijat pystyivät synteettamaan yksivaiheisia, epäjärjestäytyneitä kiinteitä liuoksia.

Poikkeuksellisten ominaisuuksiensa ansiosta \”tämä vahvistaa näkemystä voida tehdä komponentteja, jotka soveltuvat merkittävästi yli 1 100 °C käyttölämpötiloihin. Näin ollen tutkimuksemme tuloksella on potentiaalia mahdollistaa todellinen teknologinen harppaus\”, Kauffmann sanoi.

Mutta vaikka materiaali täyttää tärkeimmät kriittiset vaatimukset kestävälle materiaalille, sen teollisessa tasossa käyttöön ottaminen edellyttää \”monia muita kehitysaskeleita\”.

Silti \”perustutkimuslöydollamme olemme saavuttaneet tärkeän virstanpylvään. Tutkimusryhmät ympäri maailmaa voivat nyt rakentaa tämän saavutuksen päälle\”, Heilmaier totesi.

Who’s Leading the Materials Race: U.S., Europe, China, Turkey

Kun tutkijat jatkavat perinteisten nikkelipohjaisten superseosten lämpö- ja kestävyysrajoitteiden rikkomista, samankaltaiset läpimurrot muotoutuvat ympäri maailmaa.

Tänä vuonna Amesin kansallisessa laboratoriossa työskentelevä tiimi löysi uuden seoksen, joka voisi korvata nikkeli- ja koboltipohjaiset superseokset, joiden lämmönkestävyysrajoitukset rajoittavat energiatehokkuuden parantamista.

He kääntyivät myös luonnollisesti kestävien metallien puoleen, koska ne ovat ainoita, joiden sulamispisteet ovat paljon korkeammat kuin nikkelin ja koboltin. Tietenkin valmistuksen ja osien muotoilun monimutkaisuus on haaste.

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

“Olemme tulleet ymmärtämään, että näiden muuten hauraiden puhtaiden elementtien 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 ylläpitää Iowa State University.

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 “saamaan sen oikein” ensimmäisellä kerralla.

Joten löytääkseen materiaalit ja niiden koostumuksen, tutkijat hyödynsivät laskennallista viitekehystä, jonka kaksi Ames Labin tiedemiestä, Prashant Singh ja Duane Johnson, kehittivät.

“Kokosimme teoreettisesti ohjatun menetelmän, joka yhdistää kokeet. Se ohjaa kokeilijat oikeaan suuntaan uusille seoksille, joilla on halutut ominaisuudet.”

– Johnson

Tämä uusi seos osoittaa suurempaa joustavuutta muodonmuutokseen korkeammissa lämpötiloissa sekä tarvittavat muovautuvuusominaisuudet, jotka mahdollistavat sen valmistamisen kaupallisesti vakiintuneilla menetelmillä.

Amesin tiimin lähestymistapa korostaa, miten suunnittelu voi nopeuttaa löytöjä, jotka aiemmin vaativat vuosia kokeiluja ja virheitä. Rakentaen tähän laskennan ja kokeilun yhteistyöhön, MIT:n tutkijat yhdistivät koneoppimisen (ML) metallin 3D-tulostukseen suunnitellen alumiinipohjaisen seoksen, jonka tulostetut osat vastaavat taontu 7075:n vahvuutta – ja 400 °C ikääntymisen jälkeen ovat noin 50 % vahvempia kuin vahvin tulostettava alumiinivertailukohta.

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

Tutkijat toivovat, että heidän uusi tulostettava metallinsa voidaan muuntaa vahvemmiksi, kevyemmiksi ja lämpötilankestävämmiksi tuotteiksi, kuten suihkumoottorien puhallinlapoiksi, jotka tällä hetkellä valmistetaan kalliimmalla ja raskaammalla titaanilla.

“Jos voimme käyttää kevyempää, korkeasti kestävää materiaalia, se säästäisi merkittävän määrän energiaa kuljetusalalla,” sanoi tutkimuksen johtaja Mohadeseh Taheri-Mousavi, joka on nykyään apulaisprofessori Carnegie Mellon -yliopistossa.

Ilmailu- ja kuljetusteollisuuden lisäksi tutkijat näkevät tulostettavan seoksensa käytettävän jäähdytyslaitteissa datakeskuksille ja huippuluokan autoille. Heidän työnsä korostaa, miten lisävalmistus ja tekoälypohjainen seostekniikka kohtaavat luodakseen kevyempiä, vahvempia ja lämpötehokkaampia materiaaleja, jotka ovat olennaisia tulevaisuuden suihkumoottorikäyttövoimassa ja energiajärjestelmissä.

Toisessa osassa maailmaa turkkilainen ilmailumoottorien valmistaja TEI on ilmoittanut kehittäneensä yli 20 ainutlaatuista superseosta ja titaanisekoitusta käytettäväksi hävittäjä- ja helikopterimoottoriteknologiassa.

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

– TEI:n pääjohtaja Mahmut Faruk Aksit

Kun lentokoneiden moottorien sisälämpötilat nousevat äärimmäisen korkeiksi, “puoliksi auringon pinnan lämpötilasta”, tarvitaan metalleja, jotka voivat toimia näin äärimmäisessä lämmössä. Tämä tekee “jäähdytysjärjestelmistä, erikoispinnoitteista ja materiaaliteknologioista kriittisen tärkeitä,” hän lisäsi.

Vastaavaa vauhtia on Kiinassa, jossa tutkijat työskentelevät parhaillaan uuden superseos-jäähdytystekniikan parissa parantaakseen korkean lämpötilan turbiinimoottorin komponenttien suorituskykyä ja kestävyyttä, mikä voi mahdollistaa kehittyneet suihkumoottorit.

Kiinalaiset tutkijat ovat myös kehittäneet uuden tekniikan seoksisten turbiinilapojen valmistamiseen, 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 kuparimagneesiseosrakenteen lapaan käyttäen termomekaanisia prosessointitekniikoita,” patentti kertoo. “Tämä mahdollistaa lapojen säilymisen pitkän aikavälin toiminnassa äärimmäisissä korkean lämpötilan olosuhteissa.”

Kuparin lämmönjohtavuuden ja teräksen lämmönkestävyyden yhdistelmä tekee komposiitista sopivan tuleviin sovelluksiin lentokoneiden ja rakettimoottorien palotiloissa. Näin tiedemiehet ympäri maailmaa työskentelevät parantaakseen suihkumoottorien eri osa-alueita, auttaen mullistamaan ilmailua ja energian tuotantoa.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoa siitä, miten parannettu nanokiteinen seos voisi mullistaa ilmailu- ja autosektorit.

Investing in Jet Engine Advancement 

Ilmailu- ja puolustusyhtiö Raytheon Technologies (RTX ), on yksi johtavista maailmanlaajuisista sijoittajista kehittyneisiin materiaaleihin ja propulsioinnovaatiot, tytäryhtiönsä Pratt & Whitney kautta. Tämä segmentti toimittaa lentokoneiden moottoreita sotilas-, liike-, kaupallis- ja yleisilmailun asiakkaille.

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

Yhtiö rahoittaa säännöllisesti ja tekee yhteistyötä akateemisten ja hallituksen tutkimushankkeiden kanssa pyrkien korkeampitehokkaisiin, korkeampilämpötilaisia materiaaleja seuraavan sukupolven suihkumoottoreihin. Se tutkii kestävien seosten, keraamisten matriisikomposiittien (CMCs) ja lisävalmistustekniikoiden mahdollisuuksia.

Markkina-arvolla 239,5 miljardia dollaria RTX:n osakekurssi on tällä hetkellä 178,75 $, noussut 54,38 % tänä vuonna. Viime viikolla RTX:n osakkeet saavuttivat kaikkien aikojen huippuarvon (ATH) 180,50 $. Vain kaksi vuotta sitten yhtiön osakekurssi oli alle 100 $.