Paduan Cr-Mo-Si Baru Dapat Menulis Ulang Batas Panas Mesin Jet

Para peneliti telah mengembangkan material baru dengan ketahanan suhu yang luar biasa tinggi, menunjukkan potensi kuat untuk digunakan dalam mesin jet.

Teknologi kuat seperti mesin jet, turbin gas, mesin industri, dan peralatan sinar‑X memerlukan material yang dapat menahan suhu sangat tinggi. Logam refraktori seperti tungsten (W), krom (Cr), dan molibdenum (Mo), dengan titik leleh sangat tinggi sekitar 2.000 °C atau lebih serta ketahanan luar biasa terhadap panas, keausan, dan deformasi, sangat ideal untuk aplikasi tersebut.

Namun, meskipun logam‑logam ini menunjukkan stabilitas termal yang mengesankan, mereka menjadi sangat rapuh pada suhu kamar. Logam‑logam ini juga cepat teroksidasi ketika terpapar oksigen, yang menyebabkan kegagalan material pada suhu antara 600 dan 700 °C.

As a result, these materials can only be used effectively under complex vacuum conditions, such as in X-ray rotating anodes. To overcome these limitations, engineers have long relied on nickel-based superalloys to build components that must withstand high heat.

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

Superalloy adalah paduan berkinerja tinggi yang dikenal karena sifat mekanik yang luar biasa dan ketahanan terhadap panas ekstrem serta tekanan tinggi. Mereka juga memiliki stabilitas permukaan dan fase yang baik, dan tahan terhadap oksidasi dan korosi tinggi.

Paduan ini awalnya dikembangkan untuk mesin turbin pesawat, hanya untuk kemudian berkembang ke banyak aplikasi menuntut seiring waktu, termasuk turbin gas, mesin roket, pembangkit listrik, proses kimia, dan pabrik minyak. 

Mereka terutama berbasis nikel, besi, atau kobalt dan dapat mempertahankan integritas mekanik pada suhu di mana sebagian besar paduan lain akan gagal. 

Nikel (Ni) memiliki peran penting di sini. Logam transisi berwarna perak-berkilau inidikenal karena penggunaannyadalam paduan baja tahan karat. Faktanya, nikel berperan penting dalam kepadatan energi dan kinerja baterai, memungkinkan jangkauan yang lebih panjang kemampuan pada kendaraan listrik. 

Sifat logam ini juga penting untuk komponen dirgantara, yangterpapar pada variasi suhu dan kelembaban. Dengan tahan terhadap oksidasi dan korosi, paduan nikel memperpanjang umur pakai komponen, sehingga meningkatkan efisiensi operasional dan keselamatan.

Superalloy berbasis nikelsebenarnya paling banyak digunakan untuk bagian terpanas, menyumbang lebih dari 50% berat mesin pesawat canggih, berkat ketahanan luar biasa terhadap creep dan ruptur stres pada suhu tinggi.

Mereka juga menunjukkan kekuatan pada suhu tinggi, tahan terhadap kelelahan, daya tahan ringan, dan konduktivitas listrik yang baik.

Paduan multi‑komponen ini terdiri dari nikel dan dapat mencakup elemen paduan seperti aluminium (Al), krom (Cr), kobalt (Co), titanium (Ti), dan molibdenum (Mo) untuk meningkatkan sifatnya.

Superalloy berbasis nikel memiliki keterbatasannya sendiri, meskipun, termasuk biaya tinggi, kesulitan dalam pemesinan karena pengerasan kerja dan konduktivitas termal yang rendah, serta kerentanan terhadap retak selama pengelasan dan manufaktur aditif. Mereka jugamengalami oksidasi dan bisa mengalami penurunan sifat mekanik akibat pembentukan presipitat yang tidak diinginkan.

“Superalloy yang ada terbuat dari banyak elemen logam yang berbeda, termasuk yang jarang tersedia, sehingga menggabungkan beberapa sifat. Mereka ductile pada suhu kamar, stabil pada suhu tinggi, dan tahan terhadap oksidasi.”

– Profesor Martin Heilmaier dari Institut Material Terapan, Ilmu Material, dan Rekayasa KIT

Namun masalahnya adalah suhu operasi mereka, yang merupakan “suhu di mana mereka dapat digunakan dengan aman,” dan mereka berkisar hingga 1.100 derajat Celsius. Dia menambahkan:

“Ini terlalu rendah untuk memanfaatkan potensi penuh guna meningkatkan efisiensi pada turbin atau aplikasi suhu tinggi lainnya. Fakta bahwa efisiensi proses pembakaran meningkat seiring suhu.”

Untukmenghilangkan batasan ini, German Research Foundation (DFG) menyediakan pendanaan, dan para peneliti berhasil mengembangkan¹ paduan baru dari krom (Cr), molibdenum (Mo), dan silikon (Si).

Klik di sini untuk mempelajari tentang paduan hyperadaptor yang dirancang untuk tuntutan industri ekstrem.

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

Sementara mobil dan truk semakin cepat di‑elektrifikasi untuk mencapai transportasi berkelanjutan dan mendekarbonisasi sektor, mesin pembakaran pada pesawat jarak jauh masih akan dibutuhkan, setidaknya dalam beberapa dekade mendatang.

Geser untuk menggulir →

Pesawat berbasis listrik, catat Heilmaier, “akan hampir tidak cocok untuk penerbangan jarak jauh dalam beberapa dekade mendatang. Oleh karena itu, pengurangan signifikan konsumsi bahan bakar akan menjadi isu penting.”

Dalam turbin, peningkatan suhu sebesar 100 derajat Celsius saja dapat mengurangi konsumsi bahan bakar sekitar 5%.

Jadi, salah satu cara meningkatkan efisiensi konversi energi dari bahan bakar fosil atau sintetis adalah meningkatkan suhu operasi mereka. Namun untuk mencapai itu, superalloy nikel berbasis kristal tunggal harus digantikan oleh material refraktori di area terpanas turbin, yang memiliki suhu solidus jauh lebih tinggi di atas 2.000 °C.

Penggantian superalloy Ni canggih dengan material logam‑intermetalik baru, bagaimanapun, terhambat oleh dua keterbatasan utama. Ini termasuk kurangnya ketahanan oksidasi dan/atau duktibilitas pada suhu ruang (RT).

Masalahnya adalah duktibilitas dan ketahanan oksidasi tidak dapat diprediksi secara memadai untuk memungkinkan desain material yang terarah.

Saat ini, tidak ada kemampuan simulasi prediktif yang akurat untuk kedua sifat tersebut. Hal ini terjadi meskipun ada kemajuan signifikan dalam pengembangan material berbantuan komputer. Akibatnya, ilmuwan dan insinyur harus bergantung pada observasi.

Diterbitkan di Nature, studi terbaru berjudul ‘A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation‘ memperkenalkan material baru: paduan Cr-36.1Mo-3Si fase tunggal.

Paduan berbasis logam refraktori “ductile pada suhu ruang, titik lelehnya setinggi sekitar 2.000 derajat Celsius, dan – tidak seperti paduan refraktori yang diketahui hingga kini – ia mengoksidasi hanya secara perlahan, bahkan pada rentang suhu kritis,” kata Dr. Alexander Kauffmann, profesor di Universitas Ruhr Bochum, yang berperan penting dalam penemuan ini.

Penggunaan Cr dan Mo di sini mengatasi masalah elemen logam refraktori, yang menunjukkan masalah dalam oksidasi, membatasi aplikasinya. Sementara Cr menghasilkan skala Cr2O3 pelindung, Mo membuat wilayah tersebut tahan terhadap nitridasi.

Si digunakan sebagai elemen ketiga minor untuk memastikan pertumbuhan skala Cr2O3 yang lambat. Jumlahnya yang rendah memungkinkan peneliti mensintesis solusi padat tak teratur fase tunggal.

Dengan sifatnya yang tak tertandingi, “ini menumbuhkan visi untuk dapat membuat komponen yang cocok untuk suhu operasi yang secara substansial lebih tinggi dari 1.100 derajat Celsius. Jadi, hasil penelitian kami berpotensi memungkinkan lompatan teknologi nyata,” kata Kauffmann.

Namun meskipun material ini memenuhi persyaratan kritis paling penting untuk material refraktori, agar dapat digunakan pada tingkat industri, ia harus melewati “banyak langkah pengembangan lainnya.”

Namun, “dengan penemuan kami dalam riset fundamental, kami telah mencapai tonggak penting. Kelompok riset di seluruh dunia kini dapat membangun atas pencapaian ini,” kata Heilmaier.

Siapa yang Memimpin Perlombaan Material: AS, Eropa, China, Turki

Seiring peneliti terus memecahkan batas suhu dan daya tahan superalloy berbasis nikel tradisional, terobosan serupa mulai terbentuk di seluruh dunia.

Pada awal tahun ini, tim di Ames National (ATLO ) Laboratory menemukan paduan baru untuk potensial menggantikan superalloy berbasis nikel dan kobalt, yang batas toleransi panasnya meningkatkan efisiensi energi.

Mereka juga secara alami beralih ke logam refraktori karena hanya logam‑logam tersebut yang memiliki titik leleh jauh lebih tinggi daripada nikel dan kobalt. Namun tentu saja, ada masalah kompleks dalam memproduksi dan membentuknya menjadi komponen.

Jadi, para peneliti memutuskan menggabungkan logam refraktori menjadi paduan multi‑principal‑element, yang tidak berbasis pada satu elemen melainkan pada tiga atau lebih elemen, dengan tidak ada yang melebihi 50% dari komposisi keseluruhan.

“Kami menyadari bahwa menggabungkan banyak elemen murni yang biasanya rapuh dalam jumlah signifikan menciptakan struktur atomik yang memiliki sifat emergen, unik.”

– Ketua tim Nicholas Argibay, ilmuwan di Ames Lab, Laboratorium Nasional Departemen Energi AS yang dioperasikan oleh Iowa State University.

Namun, mencampur lebih dari tiga elemen berarti “jutaan kombinasi untuk dicari,” yang merupakan proses memakan waktu. Berkat AI, mereka dapat menghemat waktu dan uang serta “mendapatkannya tepat” pada percobaan pertama

Jadi, untuk menemukan material dan komposisinya, para peneliti memanfaatkan kerangka kerja komputasi, yang dikembangkan oleh dua ilmuwan Ames Lab, Prashant Singh dan Duane Johnson.

“Kami menyusun metodologi berbasis teori yang berinteraksi dengan eksperimen. Metodologi ini mengarahkan para eksperimental ke arah yang tepat untuk menemukan paduan baru dengan sifat spesifik yang mereka inginkan.”

– Johnson

Paduan baru ini menunjukkan lebih banyak ketahanan terhadap deformasi pada suhu lebih tinggi dan sifat duktibilitas yang diperlukan untuk diproduksi menggunakan metode komersial yang sudah mapan. 

Pendekatan tim Ames menyoroti bagaimana desain dapat mempercepat penemuan yang sebelumnya memakan tahun percobaan dan kesalahan. Berdasarkan kolaborasi antara komputasi dan eksperimen, peneliti di MIT menggabungkan pembelajaran mesin (ML) dengan pencetakan 3D logam² merancang paduan berbasis Al yang bagian cetaknya memiliki kekuatan setara dengan 7075 yang ditarik—dan, setelah penuaan pada 400 °C, sekitar 50 % lebih kuat daripada tolok ukur Al cetak terkuat.

Untuk menciptakan logam baru ini, tim mencampur aluminium dengan elemen lain yang diidentifikasi melalui simulasi dan ML.

Para peneliti berharap paduan cetak baru mereka dibuat menjadi produk yang lebih kuat, lebih ringan, dan tahan suhu, seperti bilah kipas di mesin jet, yang dibuat dengan titanium yang lebih mahal dan lebih berat.

“Jika kami dapat menggunakan material yang lebih ringan dan kuat, ini akan menghemat energi yang signifikan bagi industri transportasi,” kata pemimpin studi Mohadeseh Taheri-Mousavi, yang kini menjadi asisten profesor di Carnegie Mellon University.

Selain industri dirgantara dan transportasi , para peneliti membayangkan paduan cetak mereka digunakan dalam perangkat pendingin untuk pusat data dan mobil mewah. Pekerjaan mereka menekankan bagaimana manufaktur aditif dan desain paduan berbasis AI bertemu untuk menciptakan material yang lebih ringan, lebih kuat, dan lebih efisien termal, sifat yang penting untuk propulsi jet masa depan dan sistem energi.

Di bagian lain dunia, produsen motor aerospace Turki TEI telah melaporkan mengembangkan lebih dari 20 superalloy unik dan paduan titanium untuk digunakan dalam teknologi motor jet tempur dan helikopter.

“Perang kini dimenangkan di laboratorium dan pabrik. Teknologi yang Anda hasilkan menentukan nasib perang.”

– Manajer Umum TEI Mahmut Faruk Aksit

Dengan suhu di dalam mesin pesawat yang mencapai sangat tinggi, ‘setengah suhu permukaan matahari,’ diperlukan logam yang dapat beroperasi dalam panas ekstrem tersebut. Ini menjadikan “sistem pendingin, pelapisan khusus, dan teknologi material sangat penting,” tambahnya.

Momentum serupa juga terjadi di China, di mana peneliti saat ini mengembangkan teknik pendinginan superalloy baru untuk meningkatkan kinerja dan daya tahan komponen mesin turbin suhu tinggi, yang dapat memungkinkan mesin jet canggih.

Peneliti China juga menciptakan teknik baru untuk memproduksi bilah turbin paduan yang dapat menahan suhu hingga 15 % lebih tinggi daripada versi yang ada. Peningkatan ketahanan panas ini diharapkan memberikan dorongan thrust mesin yang lebih besar, efisiensi energi yang lebih baik, dan umur pakai yang lebih lama.

“Metode ini menyematkan struktur komposit tembaga‑magnesium‑baja di dalam bilah menggunakan teknik pemrosesan termo‑mekanik,” kata paten untuk teknologi tersebut. “Ini memungkinkan bilah mempertahankan fungsi jangka panjang di bawah kondisi suhu tinggi yang ekstrem.”

Penggunaan konduktivitas termal tembaga dan ketahanan panas baja membuat komposit ini cocok untuk aplikasi masa depan di pesawat dan ruang bakar mesin roket. Jadi, inilah cara ilmuwan di seluruh dunia bekerja meningkatkan berbagai aspek mesin jet, membantu merevolusi penerbangan dan pembangkit listrik.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana paduan nanokristalin yang ditingkatkan dapat merevolusi sektor dirgantara & otomotif.

Berinvestasi dalam Kemajuan Mesin Jet 

Perusahaan aerospace dan pertahanan, Raytheon Technologies (RTX ), adalah salah satu investor global terkemuka dalam material maju dan inovasi propulsi melalui anak perusahaan Pratt & Whitney. Segmen ini memasok mesin pesawat untuk pelanggan militer, jet bisnis, komersial, dan penerbangan umum.

Ia memiliki dua segmen lain: Collins Aerospace menyediakan produk aerospace dan pertahanan berteknologi tinggi serta solusi layanan purna jual, dan Raytheon mengembangkan kemampuan canggih dalam pertahanan udara dan misil, senjata pintar, dan lainnya.

Perusahaan secara rutin mendanai dan berkolaborasi dengan inisiatif riset akademik dan pemerintah untuk mengejar material dengan efisiensi lebih tinggi dan suhu lebih tinggi bagi mesin jet generasi berikutnya. Ia mengeksplorasi paduan refraktori, komposit matriks keramik (CMCs), dan teknik manufaktur aditif. 

Dengan kapitalisasi pasar $239,5 miliar, RTX saat ini diperdagangkan pada $178,75, naik 54,38% tahun ini sejauh ini. Pekan lalu, saham RTX mencapai harga tertinggi sepanjang masa (ATH) $180,50. Dua tahun lalu, harga saham perusahaan berada di bawah $100.