Nuovo Lega Cr-Mo-Si Potrebbe Riscrivere i Limiti di Calore dei Motori a Reazione

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo materiale con una resistenza alle alte temperature notevolmente elevata, dimostrando un forte potenziale per l’uso nei motori a reazione.

Technologie potenti come i motori a reazione, le turbine a gas, i macchinari industriali e le apparecchiature a raggi X richiedono materiali in grado di sopportare temperature estremamente elevate. Metalli refrattari come tungsteno (W), cromo (Cr) e molibdeno (Mo), con punti di fusione estremamente alti intorno ai 2.000 gradi Celsius o più e una resistenza eccezionale al calore, all’usura e alla deformazione, sono ideali per tali applicazioni.

Tuttavia, sebbene questi metalli mostrino una notevole stabilità termica, diventano molto fragili a temperatura ambiente. Inoltre, si ossidano rapidamente quando esposti all’ossigeno, portando al cedimento del materiale tra i 600 e i 700 gradi Celsius.

Di conseguenza, questi materiali possono essere utilizzati efficacemente solo in condizioni di vuoto complesse, come negli anodi rotanti dei raggi X. Per superare queste limitazioni, gli ingegneri hanno a lungo fatto affidamento su superleghe a base di nichel per costruire componenti che devono resistere a temperature elevate.

Superleghe a Base di Nichel: Punti di Forza, Limiti e Perché Stanno Raggiungendo il Loro Massimo

Una superlega è una lega ad alte prestazioni nota per le sue eccezionali proprietà meccaniche e la resistenza a calore estremo e a sollecitazioni elevate. Presentano anche buona stabilità superficiale e di fase, e elevata resistenza all’ossidazione e alla corrosione.

Queste leghe sono state inizialmente sviluppate per i motori a turbina degli aerei, per poi espandersi a molte altre applicazioni esigenti nel tempo, inclusi turbine a gas, motori a razzo, generazione di energia, processi chimici e impianti petroliferi. 

Sono principalmente basate su nichel, ferro o cobalto e possono mantenere l’integrità meccanica a temperature in cui la maggior parte delle altre leghe fallirebbe. 

Il nichel (Ni) è di fondamentale importanza qui. Il metallo di transizione bianco-argenteo e lucente è conosciuto per il suo utilizzo nelle leghe di acciaio inossidabile. Gioca anche un ruolo importante nella densità energetica e nelle prestazioni delle batterie, consentendo capacità di autonomia più elevate nei veicoli elettrici. 

Le proprietà del metallo sono critiche anche per i componenti aerospaziali, che sono esposti a variazioni di temperatura e umidità. Essendo resistente all’ossidazione e alla corrosione, le leghe di nichel prolungano la vita dei componenti, migliorando così l’efficienza operativa e la sicurezza.

Le superleghe a base di nichel sono effettivamente le più ampiamente utilizzate per le parti più calde, costituendo oltre il 50% del peso dei motori avanzati per aeromobili, grazie alla loro straordinaria resistenza contro creep e rottura da sforzo a temperature elevate.

Presentano anche resistenza a temperature elevate, resistenza alla fatica, leggerezza, durabilità e buona conduttività elettrica.

Queste leghe multicomponente contengono nichel e possono includere elementi di lega come alluminio (Al), cromo (Cr), cobalto (Co), titanio (Ti) e molibdeno (Mo) per migliorarne le proprietà.

Le superleghe a base di nichel hanno tuttavia i propri limiti, tra cui alto costo, difficoltà di lavorazione a causa dell’indurimento per lavoro e bassa conduttività termica, nonché suscettibilità a cricche durante la saldatura e la produzione additiva. Possono anche soffrire di ossidazione e presentare proprietà meccaniche degradate a causa della formazione di precipitati indesiderati.

“Le superleghe esistenti sono composte da molti diversi elementi metallici, inclusi alcuni raramente disponibili, così da combinare diverse proprietà. Sono duttili a temperatura ambiente, stabili a temperature elevate e resistenti all’ossidazione.”

– Prof. Martin Heilmaier dell’Istituto di Materiali Applicati, Scienza dei Materiali e Ingegneria del KIT

Ma il problema è la loro temperatura operativa, che è “la temperatura in cui possono essere usate in sicurezza,” e varia fino a 1.100 gradi Celsius. Ha aggiunto:

“Questo valore è troppo basso per sfruttare appieno il potenziale di maggiore efficienza nelle turbine o altre applicazioni ad alte temperature. Il fatto è che l’efficienza nei processi di combustione aumenta con la temperatura.” 

Per rimuovere queste limitazioni, la German Research Foundation (DFG) ha fornito finanziamenti, e i ricercatori hanno sviluppato con successo un nuovo¹ una lega di cromo (Cr), molibdeno (Mo) e silicio (Si).

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Leghe Refrattarie Cr-Mo-Si: Duttilità a Temperatura Ambiente + Resistenza all’Ossidazione a 1.100 °C

Mentre auto e camion vengono elettrificati rapidamente per raggiungere trasporti sostenibili e decarbonizzare il settore, i motori a combustione negli aerei a lungo raggio saranno ancora necessari, almeno nei prossimi decenni.

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Gli aerei alimentati ad elettricità, ha osservato Heilmaier, “saranno difficilmente adatti per voli a lungo raggio nei prossimi decenni. Pertanto, una riduzione significativa del consumo di carburante sarà una questione fondamentale.”

In una turbina, un aumento di appena 100 gradi Celsius della temperatura può ridurre il consumo di carburante di circa il 5%.

Quindi, un modo per migliorare l’efficienza della conversione energetica da combustibili fossili o sintetici è aumentare le loro temperature operative. Ma per raggiungere questo obiettivo, le superleghe a base di nichel a cristallo singolo devono essere sostituite da materiali refrattari nelle zone più calde delle turbine, che presentano temperature di solidus molto più alte, oltre i 2.000 °C.

La sostituzione delle avanzate superleghe a base di Ni con nuovi materiali metallici-intermetallici è però ostacolata da due limitazioni principali. Queste includono una mancanza di resistenza all’ossidazione e/o duttilità a temperatura ambiente (RT). 

Il problema è che la duttilità e la resistenza all’ossidazione non possono essere previste con sufficiente precisione per consentire un design mirato dei materiali. 

Attualmente non esistono capacità di simulazione predittiva accurate per nessuna delle due proprietà. Ciò avviene nonostante i notevoli progressi compiuti nello sviluppo assistito da computer dei materiali. Di conseguenza, scienziati e ingegneri devono fare affidamento su osservazioni.

Pubblicato su Nature, lo studio più recente intitolato ‘Una lega di cromo-molibdeno duttile resistente all’ossidazione ad alte temperature‘ ha introdotto il nuovo materiale: una lega monofase Cr-36.1Mo-3Si.

La lega a base di metalli refrattari “è duttile a temperatura ambiente, il suo punto di fusione è alto circa 2.000 gradi Celsius e – a differenza delle leghe refrattarie conosciute finora – si ossida solo lentamente, anche nella gamma critica di temperatura,” ha dichiarato il dott. Alexander Kauffmann, professore presso la Ruhr University Bochum, che ha svolto un ruolo fondamentale in questa scoperta.

L’uso di Cr e Mo qui affronta i problemi degli elementi metallici refrattari, che mostrano difficoltà di ossidazione, limitando la loro applicazione. Mentre il Cr porta alla formazione di una scala protettiva di Cr2O3, il Mo rende le regioni resistenti alla nitrurazione. 

Il Si viene impiegato come terzo elemento minore per garantire una crescita lenta della scala di Cr2O3. La sua piccola quantità ha permesso ai ricercatori di sintetizzare soluzioni solide disordinate monofase.

Con le sue proprietà senza pari, “questa alimenta la visione di poter realizzare componenti adatti a temperature operative sostanzialmente più alte di 1.100 gradi Celsius. Pertanto, il risultato della nostra ricerca ha il potenziale di consentire un vero salto tecnologico,” ha affermato Kauffmann.

Ma sebbene il materiale soddisfi i requisiti critici più importanti per i materiali refrattari, per essere utilizzato a livello industriale, deve attraversare “molti altri passaggi di sviluppo.”

“Con la nostra scoperta nella ricerca fondamentale, abbiamo raggiunto una pietra miliare importante. I gruppi di ricerca di tutto il mondo possono ora basarsi su questo risultato,” ha detto Heilmaier.

Chi Sta Guidando la Corsa ai Materiali: USA, Europa, Cina, Turchia

Man mano che i ricercatori continuano a superare le barriere di temperatura e durata delle tradizionali superleghe a base di nichel, scoperte simili stanno prendendo forma in tutto il mondo.

All’inizio di quest’anno, un team del Ames National Laboratory ha scoperto una nuova lega per potenzialmente sostituire le superleghe a base di nichel e cobalto, i cui limiti di tolleranza al calore potrebbero migliorare l’efficienza energetica.

Hanno inoltre naturalmente rivolto la loro attenzione ai metalli refrattari perché sono gli unici con punti di fusione molto più alti rispetto a nichel e cobalto. Ma, ovviamente, c’è la questione complessa della produzione e della formatura in componenti.

Così, i ricercatori hanno deciso di combinare metalli refrattari in leghe a più elementi principali, che non si basano su un singolo elemento ma su tre o più elementi, nessuno dei quali supera il 50% della composizione totale.

“Abbiamo capito che combinare molti di questi elementi puri altrimenti fragili in quantità significative crea strutture atomiche che presentano proprietà emergenti e uniche.”

– Capo squadra Nicholas Argibay, scienziato presso Ames Lab, un Laboratorio Nazionale del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti gestito dall’Università Statale dell’Iowa.

Tuttavia, mescolare più di tre elementi insieme significa “milioni di combinazioni da esplorare,” un processo che richiede molto tempo. Grazie all’IA, però, hanno potuto risparmiare tempo e denaro e “ottenere il risultato giusto” al primo tentativo

Per trovare i materiali e la loro composizione, i ricercatori hanno utilizzato un quadro computazionale, sviluppato da due scienziati di Ames Lab, Prashant Singh e Duane Johnson.

“Abbiamo messo insieme una metodologia guidata dalla teoria che interfaccia con gli esperimenti. Essa indica agli sperimentatori la direzione giusta per nuove leghe con le proprietà specifiche che desiderano ottenere.”.

– Johnson

Questa nuova lega mostra una maggiore resilienza alla deformazione a temperature più elevate e le necessarie proprietà di duttilità per essere fabbricata con metodi commercialmente consolidati. 

L’approccio del team di Ames evidenzia come il design possa accelerare scoperte che una volta richiedevano anni di tentativi ed errori. Basandosi su questa collaborazione tra calcolo e sperimentazione, i ricercatori del MIT hanno integrato l’apprendimento automatico (ML) con la stampa 3D metallica² per progettare una lega a base di alluminio le cui parti stampate corrispondono alla resistenza dell’alluminio 7075 lavorato e, dopo invecchiamento a 400 °C, sono ~50% più forti del benchmark di alluminio stampabile più resistente.

Per creare questo nuovo metallo, il team ha mescolato alluminio con altri elementi identificati tramite simulazioni e ML.

I ricercatori sperano di trasformare il loro nuovo metallo stampabile in prodotti più resistenti, più leggeri, e resistenti al calore, come le pale dei ventilatori nei motori a reazione, attualmente realizzate con titanio più costoso e più pesante.

“Se potessimo utilizzare un materiale più leggero e ad alta resistenza, questo risparmierebbe una notevole quantità di energia per l’industria dei trasporti,” ha affermato la responsabile dello studio Mohadeseh Taheri-Mousavi, ora professoressa assistente alla Carnegie Mellon University.

Oltre al settore aerospaziale e dei trasporti loro immaginano di impiegare la loro lega stampabile per realizzare dispositivi di raffreddamento per data center e automobili di alta gamma. Il loro lavoro sottolinea come la produzione additiva e la progettazione di leghe guidata dall’IA si stiano incontrando per creare materiali più leggeri, più forti e più efficienti termicamente, proprietà essenziali per i futuri sistemi di propulsione a reazione e energetici.

In un’altra parte del mondo, il produttore turco di motori aerospaziali TEI ha segnalato lo sviluppo di oltre 20 superleghe e leghe di titanio uniche per l’uso in motori di jet da combattimento e elicotteri.

“Le guerre ora si vincono in laboratori e fabbriche. La tecnologia che produciamo determina il destino della guerra.”

– Direttore Generale TEI Mahmut Faruk Aksit

Con temperature all’interno dei motori degli aerei che raggiungono livelli estremamente alti, “metà della temperatura della superficie del sole,” sono necessari metalli che possano operare in tali condizioni estreme. Questo rende  “i sistemi di raffreddamento, i rivestimenti speciali e le tecnologie dei materiali di importanza critica,” ha aggiunto.

Un impulso simile si sta verificando in Cina, dove i ricercatori stanno attualmente lavorando su una nuova tecnica di raffreddamento per superleghe per migliorare le prestazioni e la durata dei componenti di turbine a temperatura elevata, che potrebbero abilitare motori a reazione avanzati.

I ricercatori cinesi hanno anche creato una nuova tecnica per produrre pale di turbine in lega che possono sopportare temperature fino al 15% più alte rispetto alle versioni attuali. Questa maggiore resistenza al calore è prevista per fornire una spinta maggiore al motore, una migliore efficienza energetica e una vita più lunga.

“Questo metodo incorpora una struttura composita di rame-magnesio-acciaio all’interno della pala mediante tecniche di lavorazione termo-meccanica,” afferma il brevetto della tecnologia. “Ciò consente alla pala di mantenere una funzionalità a lungo termine sotto condizioni estreme di alta temperatura.”

L’uso della conduttività termica del rame e della resistenza al calore dell’acciaio rende il composito adatto per future applicazioni in aeromobili e camere di combustione di motori a razzo. Quindi, così gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per migliorare vari aspetti dei motori a reazione, contribuendo a rivoluzionare l’aviazione e la produzione di energia.

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Investire nell’Avanzamento dei Motori a Reazione 

Azienda aerospaziale e di difesa, Raytheon Technologies (RTX ), è uno dei principali investitori globali in materiali avanzati e innovazione propulsiva attraverso la sua controllata Pratt & Whitney. Questo segmento fornisce motori aeronautici per clienti militari, jet privati, commerciali e di aviazione generale.

Ha due altri segmenti: Collins Aerospace fornisce prodotti aerospaziali e di difesa tecnologicamente avanzati e soluzioni di servizio post-vendita, e Raytheon sviluppa capacità avanzate nella difesa aerea e missilistica, armi intelligenti e altro.

L’azienda finanzia regolarmente e collabora con iniziative di ricerca accademica e governativa per perseguire materiali ad alta efficienza e alta temperatura per i motori a reazione di prossima generazione. Sta esplorando leghe refrattarie, compositi a matrice ceramica (CMC) e tecniche di produzione additiva. 

Con una capitalizzazione di mercato di 239,5 miliardi di dollari, RTX è attualmente quotata a 178,75 $, in crescita del 54,38% quest’anno finora. La scorsa settimana, le azioni RTX hanno raggiunto un massimo storico (ATH) di 180,50 $. Solo due anni fa, il prezzo delle azioni dell’azienda era inferiore a 100 $.

Per quanto riguarda i dati finanziari, RTX ha registrato vendite per 22,5 miliardi di dollari nel terzo trimestre del 2025, un aumento del 12% rispetto all’anno precedente. 

Il segmento Pratt & Whitney ha registrato un profitto operativo di 751 milioni di dollari, in crescita del 35% e vendite aggiustate per 8,42 miliardi di dollari, in aumento del 16% rispetto all’anno precedente. Questo aumento delle vendite è stato guidato da un incremento del 23% nel mercato post-vendita commerciale, dovuto a un maggior volume sia di grandi motori commerciali che di Pratt Canada, un salto del 15% nel settore militare grazie al programma F135, e un aumento del 5% nel mercato OE commerciale a seguito di un volume maggiore di grandi motori commerciali.

Nel frattempo, il fornitore di avionica e altri sistemi aeronautici Collins Aerospace ha visto un aumento dei ricavi dell’8% fino a 7,62 miliardi di dollari, con crescita proveniente da vendite militari, equipaggiamento originale per nuovi jet e acquisti da parte delle compagnie aeree per riparazioni e più parti. I ricavi di Raytheon sono aumentati del 10% a 7,05 miliardi di dollari poiché la domanda per i suoi sistemi di difesa aerea e i programmi navali è rimasta forte.

L’EPS GAAP dell’azienda è stato di 1,41 $, e l’EPS aggiustato è stato di 1,70 $. Il flusso di cassa operativo per il trimestre è stato di 4,6 miliardi di dollari, e il flusso di cassa libero è stato di 4 miliardi di dollari. Ha inoltre riportato un backlog di 251 miliardi di dollari, che comprende 148 miliardi di commerciali e 103 miliardi di difesa.

“Una forte esecuzione nel terzo trimestre ci ha permesso di ottenere una crescita organica a doppia cifra delle vendite in tutti e tre i segmenti e il nostro sesto trimestre consecutivo di espansione del margine di segmento aggiustato anno su anno,” ha dichiarato l’amministratore delegato Chris Calio. “Abbiamo anche ricevuto 37 miliardi di nuovi contratti nel trimestre, a testimonianza della robusta domanda globale per i nostri prodotti e a sostegno della crescita a lungo termine per RTX.”

RTX ha ridotto di 2,9 miliardi di dollari il debito nel terzo trimestre e ha restituito 900 milioni di dollari agli azionisti.

Basandosi su queste performance e sulla “continua forza della domanda,” l’azienda ha aumentato le sue previsioni per l’intero anno, sottolineando il suo impegno a “eseguire il nostro backlog di 251 miliardi di dollari e aumentare la produzione per supportare il ramp-up dei programmi critici, investendo in prodotti e servizi di prossima generazione che soddisfino le esigenze dei nostri clienti.”

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di Raytheon Technologies (RTX)

Conclusione

Le leghe ad alte temperature svolgono un ruolo vitale nella scienza dei materiali e nella tecnologia energetica. La spinta globale verso efficienza e sostenibilità richiede materiali in grado di gestire condizioni estreme, e questa domanda è in costante crescita.

Per decenni, le superleghe a base di nichel sono state la scelta standard per componenti di turbine e motori a reazione. Ma stanno raggiungendo i loro limiti. Per questo la recente scoperta di una lega Cr-Mo-Si duttile e resistente all’ossidazione sta suscitando entusiasmo. Se i ricercatori riusciranno a sviluppare e scalare la produzione, queste leghe refrattarie di nuova generazione potrebbero rivoluzionare l’aerospazio, consentendo ai motori a reazione di operare a temperature ben al di là di quelle attualmente possibili. Le potenziali applicazioni non si fermano qui, poiché ciò potrebbe aprire porte alla produzione di energia, al riscaldamento industriale e persino alla propulsione spaziale.

Naturalmente, passare dalla scoperta di laboratorio alla realtà commerciale non è mai semplice. Gli scienziati dovranno perfezionare la composizione della lega, risolvere le sfide di produzione e sviluppare metodi per produrla in grandi quantità. Ma anche con questi ostacoli, questa scoperta apre nuove e promettenti possibilità per l’ingegneria ad alte temperature.

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Riferimenti

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://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-8
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://doi.org/10.1002/adma.202509507