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

Para peneliti telah mengembangkan bahan 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 tahan api seperti tungsten (W), krom (Cr), dan molibdenum (Mo), dengan titik leleh sangat tinggi sekitar 2.000 derajat Celsius 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 ruang. Logam-logam ini juga teroksidasi dengan cepat ketika terpapar oksigen, menyebabkan kegagalan material pada suhu antara 600 dan 700 derajat Celsius.

Akibatnya, material ini hanya dapat digunakan secara efektif di bawah kondisi vakum yang kompleks, seperti pada anoda berputar sinar-X. Untuk mengatasi keterbatasan ini, para insinyur telah lama mengandalkan superalloy berbasis nikel untuk membuat komponen yang harus menahan panas tinggi.

Superalloy Berbasis Nikel: Kekuatan, Batas, dan Mengapa Mereka Mencapai Titik Tertinggi

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

Paduan ini awalnya dikembangkan untuk mesin turbin pesawat terbang, kemudian berkembang ke banyak aplikasi menuntut lainnya seiring waktu, termasuk turbin gas, mesin roket, pembangkit listrik, pemrosesan 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) sangat penting di sini. Logam transisi berwarna perak- putih yang berkilau ini dikenal karena penggunaannya dalam paduan baja tahan karat. Secara faktual, nikel berperan penting dalam kepadatan energi dan kinerja baterai, memungkinkan kemampuan jangkauan yang lebih jauh pada kendaraan listrik.

Sifat logam ini juga krusial untuk komponen dirgantara, yang terpapar variasi suhu dan kelembaban. Karena tahan terhadap oksidasi dan korosi, paduan nikel memperpanjang umur komponen, sehingga meningkatkan efisiensi operasional dan keselamatan.

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

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

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

Namun, superalloy berbasis nikel memiliki keterbatasan sendiri, termasuk biaya tinggi, kesulitan dalam pemesinan karena pengerasan kerja dan konduktivitas termal rendah, serta kerentanan terhadap retak selama pengelasan dan manufaktur aditif. Mereka juga dapat mengalami oksidasi dan penurunan sifat mekanik akibat pembentukan presipitat yang tidak diinginkan.

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

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

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

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

Untuk menghilangkan keterbatasan ini, German Research Foundation (DFG) menyediakan dana, dan para peneliti berhasil mengembangkan¹ sebuah paduan baru dari krom (Cr), molibdenum (Mo), dan silikon (Si).

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

Paduan Tahan Api Cr-Mo-Si: Duktibilitas pada Suhu Ruang + Ketahanan Oksidasi pada 1.100 °C

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

Geser untuk menggulir →

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

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

Jadi, salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dari bahan bakar fosil atau sintetis adalah meningkatkan suhu operasionalnya. Namun untuk mencapainya, superalloy berbasis nikel kristal tunggal harus digantikan oleh material tahan api di area paling panas 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 mencakup kurangnya ketahanan oksidasi dan/atau duktibilitas pada suhu ruang (RT).

Masalahnya, 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 terdapat kemajuan signifikan dalam pengembangan material yang dibantu komputer. Akibatnya, ilmuwan dan insinyur harus bergantung pada observasi.

Dipublikasikan di Paduan krom-molibdenum ductile yang tahan terhadap oksidasi suhu tinggi studi terbaru berjudul ‘A ductile chromium‑molybdenum alloy resistant to high‑temperature oxidation’ memperkenalkan material baru: sebuah paduan fase tunggal Cr‑36.1Mo‑3Si.

Paduan berbasis logam tahan api tersebut “ductile pada suhu ruang, titik lelehnya setinggi sekitar 2.000 derajat Celsius, dan – tidak seperti paduan tahan api yang dikenal hingga kini – ia mengoksidasi hanya secara lambat, bahkan pada rentang suhu kritis,” kata Dr. Alexander Kauffmann, profesor di Ruhr University Bochum, yang memainkan peran utama dalam penemuan ini.

Penggunaan Cr dan Mo di sini mengatasi masalah elemen logam tahan api, yang menunjukkan masalah dalam oksidasi, yang membatasi aplikasinya. Sementara Cr menyebabkan pembentukan lapisan pelindung Cr2O3, Mo membuat wilayah tersebut tahan terhadap nitridasi.

Si digunakan sebagai elemen ketiga minor untuk memastikan pertumbuhan lambat lapisan Cr2O3. Jumlahnya yang rendah memungkinkan peneliti mensintesis solusi padat satu fase yang tidak beraturan.

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

Namun meskipun material ini memenuhi persyaratan kritis terpenting untuk material tahan api, untuk 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

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

Awal tahun ini, tim di Ames National Laboratory menemukan paduan baru yang berpotensi menggantikan superalloy berbasis nikel dan kobalt, yang batas toleransi panasnya meningkatkan efisiensi energi.

Mereka juga secara alami beralih ke logam tahan api karena mereka satu-satunya yang memiliki titik leleh jauh lebih tinggi dibandingkan nikel dan kobalt. Namun tentu saja, ada masalah kompleks dalam memproduksi dan membentuknya menjadi komponen.

Jadi, para peneliti memutuskan menggabungkan logam tahan api menjadi paduan multi-prinsip-elemen, yang tidak berbasis pada satu elemen melainkan tiga atau lebih elemen, dengan tidak ada yang melebihi 50% dari komposisi keseluruhan.

“Kami telah memahami bahwa menggabungkan banyak elemen murni yang rapuh ini dalam jumlah signifikan menciptakan struktur atom yang memiliki sifat emergen dan unik.”

– Pemimpin tim Nicholas Argibay, yang merupakan ilmuwan di Ames Lab, Laboratorium Nasional Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS yang dioperasikan oleh Iowa State University.

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

Jadi, untuk menemukan material dan komposisinya, para peneliti memanfaatkan kerangka 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 paduan baru dengan sifat spesifik yang mereka inginkan pada material tersebut.”

– Johnson

Paduan baru ini menunjukkan ketahanan lebih tinggi 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 ini, peneliti di MIT menggabungkan pembelajaran mesin (ML) dengan pencetakan logam 3D² untuk merancang paduan berbasis Al yang bagian cetaknya memiliki kekuatan setara dengan 7075 yang ditempa—dan, setelah penuaan pada 400 °C, sekitar 50% lebih kuat daripada patokan Al cetak terkuat.

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

Para peneliti berharap logam cetak baru mereka dapat dijadikan produk yang lebih kuat, lebih ringan, dan tahan suhu, seperti bilah kipas pada mesin jet, yang saat ini dibuat dengan titanium yang lebih mahal dan lebih berat.

“Jika kami dapat menggunakan material yang lebih ringan dan kuat, ini akan menghemat sejumlah besar energi 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 dapat digunakan dalam perangkat pendingin untuk pusat data dan mobil kelas atas. Karya mereka menekankan bagaimana manufaktur aditif dan desain paduan berbasis AI bersatu untuk menciptakan material yang lebih ringan, lebih kuat, dan lebih efisien termal, sifat yang penting bagi propulsi jet dan sistem energi masa depan.

Di bagian lain dunia, produsen motor dirgantara Turki TEI 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 mencapai sangat tinggi, ‘setengah suhu permukaan matahari,’ diperlukan logam yang dapat beroperasi dalam panas ekstrem tersebut. Hal ini menjadikan “sistem pendinginan, pelapisan khusus, dan teknologi material sangat penting,” tambahnya.

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

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

“Metode ini menyematkan struktur komposit tembaga-magnetium-baja di dalam bilah menggunakan teknik pemrosesan termomekanik,” kata paten teknologi tersebut. “Hal ini memungkinkan bilah mempertahankan fungsi jangka panjang di bawah kondisi suhu tinggi yang ekstrem.”

Pemanfaatan konduktivitas termal tembaga dan ketahanan panas baja menjadikan 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 dirgantara dan pertahanan Raytheon Technologies (RTX ), adalah salah satu investor global terkemuka dalam material canggih dan inovasi propulsi melalui anak perusahaannya Pratt & Whitney. Segmen ini memasok mesin pesawat untuk pelanggan militer, jet bisnis, komersial, dan penerbangan umum.

Ia memiliki dua segmen lainnya: Collins Aerospace menyediakan produk dirgantara dan pertahanan yang secara teknologi maju 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 dalam upaya menemukan material dengan efisiensi lebih tinggi dan suhu lebih tinggi untuk mesin jet generasi berikutnya. Mereka sedang mengeksplorasi paduan tahan api, 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 hingga saat ini. Minggu lalu saja, saham RTX mencapai rekor tertinggi sepanjang masa (ATH) $180,50. Dua tahun yang lalu, harga saham perusahaan diperdagangkan di bawah $100.

Ia memiliki EPS (TTM) sebesar 4,87 dan P/E (TTM) sebesar 36,68. Imbal hasil dividen yang ditawarkan kepada pemegang saham adalah 1,52%.

Mengenai keuangan perusahaan, RTX melaporkan penjualan $22,5 miliar untuk kuartal ketiga 2025, naik 12% dibandingkan tahun sebelumnya.

Segmen Pratt & Whitney mencatat laba operasi $751 juta, naik 35% dan penjualan yang disesuaikan $8,42 miliar, naik 16% dibandingkan tahun sebelumnya. Pertumbuhan penjualan ini dipimpin oleh peningkatan 23% di pasar purna jual komersial, yang didorong oleh volume lebih tinggi pada mesin komersial besar dan Pratt Canada, lonjakan 15% di militer karena program F135, serta peningkatan 5% di OE komersial sebagai hasil volume mesin komersial besar yang meningkat.

Sementara itu, pemasok avionik dan sistem pesawat lainnya, Collins Aerospace, melihat pendapatan meningkat 8% menjadi $7,62 miliar, dengan pertumbuhan berasal dari penjualan militer, peralatan asli untuk jet baru, dan maskapai yang membeli perbaikan serta lebih banyak suku cadang. Pendapatan Raytheon naik 10% menjadi $7,05 miliar karena permintaan untuk sistem pertahanan udara dan program angkatan laut tetap kuat.

EPS GAAP perusahaan adalah $1,41, dan EPS yang disesuaikan $1,70. Arus kas operasi untuk kuartal tersebut sebesar $4,6 miliar, dan arus kas bebas $4 miliar. Perusahaan juga melaporkan backlog $251 miliar, yang mencakup $148 miliar di sektor komersial dan $103 miliar di sektor pertahanan.

“Eksekusi yang kuat pada kuartal ketiga memungkinkan kami memberikan pertumbuhan penjualan organik dua digit di ketiga segmen dan kuartal keenam berturut-turut peningkatan margin segmen yang disesuaikan tahun ke tahun,” kata CEO Chris Calio. “Kami juga menerima $37 miliar penghargaan baru pada kuartal tersebut, mencerminkan permintaan global yang kuat untuk produk kami dan mendukung pertumbuhan jangka panjang RTX.”

RTX melunasi utang $2,9 miliar pada kuartal ketiga dan mengembalikan $900 juta kepada pemegang saham.

Berdasarkan kinerja ini dan “kekuatan permintaan yang berkelanjutan,” perusahaan meningkatkan proyeksi tahunan penuh sambil mencatat komitmennya untuk “mengeksekusi backlog $251 miliar kami dan meningkatkan produksi untuk mendukung peningkatan pada program kritis, sambil berinvestasi dalam produk dan layanan generasi berikutnya yang memenuhi kebutuhan pelanggan kami.”

Berita Saham Raytheon Technologies (RTX) Terbaru dan Perkembangan

Kesimpulan

Paduan suhu tinggi memainkan peran penting dalam ilmu material dan teknologi energi. Dorongan dunia menuju efisiensi dan keberlanjutan berarti kita membutuhkan material yang dapat menangani kondisi ekstrem, dan permintaan tersebut terus meningkat.

Selama beberapa dekade, superalloy berbasis nikel menjadi pilihan standar untuk komponen turbin dan mesin jet. Namun mereka mulai mencapai batasnya. Itulah mengapa penemuan terbaru berupa paduan Cr-Mo-Si yang ductile dan tahan oksidasi menimbulkan kegembiraan. Jika peneliti dapat mengembangkan dan meningkatkan produksi, paduan tahan api generasi berikutnya ini dapat merevolusi dirgantara, memungkinkan mesin jet beroperasi pada suhu jauh melampaui yang mungkin saat ini. Aplikasi potensial tidak berhenti di situ, karena hal ini dapat membuka pintu bagi produksi energi, pemanasan industri, bahkan propulsi luar angkasa.

Tentu saja, mengubah penemuan laboratorium menjadi realitas komersial tidak pernah sederhana. Ilmuwan perlu menyempurnakan komposisi paduan, menyelesaikan tantangan manufaktur, dan mengembangkan cara memproduksinya dalam jumlah besar. Namun meskipun ada hambatan tersebut, terobosan ini membuka peluang baru yang menjanjikan bagi rekayasa suhu tinggi.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang berinvestasi dalam titanium.

Referensi

1. Hinrichs, F., Winkens, G., Kramer, L. K., Falcão, G., Hahn, E. M., Schliephake, D., Eusterholz, M. K., Sen, S., Galetz, M. C., Inui, H., Kauffmann, A., & Heilmaier, M. (2025). A ductile chromium–molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation. Nature, 646, 331–337. https://www.securities.io/nyse/rtx/
2. Taheri-Mousavi, S. M., Xu, M., Hengsbach, F., Houser, C., Ge, Z., Glaser, B., Wei, S., Schaper, M., LeBeau, J. M., Olson, G. B., & Hart, A. J. (2025). Additively Manufacturable High-Strength Aluminum Alloys with Coarsening-Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification. Advanced Materials. https://www.securities.io/investing-in-titanium/