Nuova lega Cr-Mo-Si potrebbe riscrivere i limiti di calore dei motori a reazione

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo materiale con una resistenza termica 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 il tungsteno (W), il cromo (Cr) e il 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 fallimento del materiale a temperature comprese tra 600 e 700 gradi Celsius.

Di conseguenza, questi materiali possono essere utilizzati efficacemente solo in condizioni di vuoto complesse, come negli anodi rotanti per raggi X. Per superare queste limitazioni, gli ingegneri si sono a lungo affidati alle 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 massimo

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

Queste leghe furono inizialmente sviluppate per i motori a turbina degli aeromobili, solo per espandersi a molte altre applicazioni esigenti nel tempo, includendo turbine a gas, motori a razzo, generazione di energia, lavorazione chimica 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 argentato e lucente è noto per il suo utilizzo nelle leghe di acciaio inossidabile. Gioca infatti un ruolo importante nella densità energetica e nelle prestazioni delle batterie, consentendo capacità a lungo raggio nei veicoli elettrici. 

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

Le superleghe a base di nichel sono in realtà le più ampiamente utilizzate per le parti più calde, rappresentando oltre il 50% del peso dei motori aeronautici avanzati, grazie alla loro eccezionale resistenza al creep e alla rottura da sforzo a temperature elevate.

Presentano anche una resistenza ad alte temperature, resistenza alla fatica, durabilità leggera e buona conduttività elettrica.

Queste leghe multicomponenti sono costituite da nichel e possono includere elementi di lega come alluminio (Al), cromo (Cr), cobalto (Co), titanio (Ti) e molibdeno (Mo) per migliorare le loro proprietà.

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

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

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

Ma il problema sono le loro temperature operative, che sono “le temperature in cui possono essere utilizzate in sicurezza,” e vanno fino a 1.100 gradi Celsius. Ha aggiunto:

“Questo è troppo basso per sfruttare il pieno potenziale di maggiore efficienza nelle turbine o in altre applicazioni ad alta temperatura. 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 sviluppato¹ una nuova 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 stanno rapidamente elettrificandosi per raggiungere un trasporto sostenibile e decarbonizzare il settore, i motori a combustione negli aerei a lungo raggio saranno ancora necessari, almeno nei prossimi decenni.
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Aerei alimentati elettricamente, Heilmaier ha osservato, “saranno difficilmente adatti per voli a lungo raggio nei prossimi decenni. Pertanto, una significativa riduzione del consumo di carburante sarà una questione vitale.”

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 ciò, le superleghe a base di nichel monocrystalline devono essere sostituite da materiali refrattari nelle zone più calde delle turbine, che mostrano temperature di solidus molto più elevate oltre i 2.000 °C.

La sostituzione delle superleghe avanzate a base di Ni con nuovi materiali metallici-intermetallici, tuttavia, è ostacolata da due limitazioni principali. Questo include 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 sufficientemente per consentire una progettazione mirata dei materiali.

Attualmente, non esistono capacità di simulazione predittiva accurate per nessuna delle due proprietà. Questo nonostante i notevoli progressi compiuti nello sviluppo assistito da computer dei materiali. Di conseguenza, scienziati e ingegneri devono dipendere dalle 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 fino ad oggi – si ossida solo lentamente, anche nell’intervallo di temperatura critico,” ha dichiarato il dott. Alexander Kauffmann, professore dell’Università di Ruhr a Bochum, che ha svolto un ruolo fondamentale in questa scoperta.

L’uso di Cr e Mo qui affronta i problemi degli elementi metallici refrattari, mostrando problemi di ossidazione, che limitano la loro applicazione. Mentre il Cr porta alla formazione di uno strato protettivo di Cr2O3, il Mo rende le regioni resistenti alla nitrurazione. 

Il Si è usato come terzo elemento minore per garantire una crescita lenta dello strato di Cr2O3. La sua piccola quantità ha permesso ai ricercatori di sintetizzare soluzioni solide monofase e disordinate.

Con le sue proprietà senza pari, “ciò 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 detto Kauffmann.

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

Tuttavia, “con la nostra scoperta nella ricerca fondamentale, abbiamo raggiunto una tappa importante. I gruppi di ricerca di tutto il mondo possono ora costruire su questo risultato,” ha detto Heilmaier.

Chi sta guidando la corsa ai materiali: USA, Europa, Cina, Turchia

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

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

Si sono anche naturalmente rivolti ai metalli refrattari perché sono gli unici con punti di fusione molto più alti rispetto a quelli del nichel e del cobalto. Ma naturalmente, c’è la questione complessa della produzione e della modellatura in parti.

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

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

– Capo team Nicholas Argibay, scienziato presso l’Ames Lab, un Laboratorio Nazionale dell’Ufficio di Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti gestito dall’Università dello Stato dell’Iowa. 

Tuttavia, mescolare più di tre elementi insieme significa “milioni di combinazioni da cercare”, un processo che richiede tempo. Ma grazie all’IA, sono riusciti a risparmiare tempo e denaro e a “farlo giusto” al primo tentativo

Quindi, per trovare i materiali e la loro composizione, i ricercatori hanno utilizzato un quadro computazionale, che è stato sviluppato da due scienziati dell’Ames Lab, Prashant Singh e Duane Johnson.

“Abbiamo messo insieme una metodologia guidata dalla teoria che si interfaccia con gli esperimenti. Indica agli sperimentatori la direzione giusta per nuove leghe con le proprietà specifiche che desiderano avere in quei materiali.”

– Johnson

Questa nuova lega mostra maggiore resilienza alla deformazione a temperature più elevate e le proprietà di duttilità necessarie per essere fabbricata utilizzando metodi commerciali 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 di metalli² hanno progettato una lega a base di Al i cui componenti stampati corrispondono alla resistenza dell’7075 forgiato — e, dopo invecchiamento a 400 °C, sono ~50% più forti del benchmark di Al 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 alle temperature, come le pale del ventilatore nei motori a reazione, che sono realizzate con titanio più costoso e più pesante.

“Se possiamo utilizzare materiali più leggeri e ad alta resistenza, questo risparmierebbe una notevole quantità di energia per l’industria dei trasporti,” ha detto la responsabile dello studio Mohadeseh Taheri-Mousavi, ora assistente professore alla Carnegie Mellon University.

Oltre all’industria aerospaziale e dei trasporti, i ricercatori immaginano che la loro lega stampabile sia utilizzata in 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 resistenti e più efficienti termicamente, proprietà essenziali per la futura propulsione a reazione e i sistemi energetici.

In un’altra parte del mondo, il produttore turco di motori aerospaziali TEI ha riportato di aver sviluppato oltre 20 superleghe uniche e leghe di titanio per l’uso nella tecnologia dei motori di jet da combattimento e di elicotteri.

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

– Direttore Generale di 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 tale calore estremo. Questo rende “i sistemi di raffreddamento, i rivestimenti speciali e le tecnologie dei materiali estremamente importanti,” ha aggiunto.

Un simile slancio si sta sviluppando in Cina, dove i ricercatori attualmente lavorando su una nuova tecnica di raffreddamento delle superleghe tecnica per migliorare le prestazioni e la durata dei componenti del motore a turbina ad alta temperatura, che possono abilitare motori a reazione avanzati.

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

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

L’uso della conduttività termica del rame e della resistenza al calore dell’acciaio rende il composito adatto per future applicazioni negli aerei e nelle camere di combustione dei motori a razzo. Quindi, è così che gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per migliorare vari aspetti dei motori a reazione, contribuendo a rivoluzionare l’aviazione e la generazione 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 nella propulsione attraverso la sua controllata Pratt & Whitney. Questo segmento fornisce motori aeronautici per clienti militari, jet business, commerciali e di aviazione generale.

Ha due altri segmenti: Collins Aerospace fornisce prodotti aerospaziali e di difesa tecnologicamente avanzati e soluzioni di assistenza 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 accademiche e governative alla ricerca di materiali ad alta efficienza e ad alte temperature per i motori a reazione di prossima generazione. Sta esplorando leghe refrattarie, compositi a matrice ceramica (CMCs) e tecniche di produzione additiva. 

Con una capitalizzazione di mercato di $239,5 miliardi, RTX è attualmente scambiata a $178,75, in rialzo 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.

Ha un EPS (TTM) di 4,87 e un P/E (TTM) di 36,68. Il rendimento del dividendo offerto agli azionisti è dell’1,52%.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell’azienda, RTX ha riportato vendite per $22,5 miliardi 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, in aumento del 35% e $8,42 miliardi in vendite rettificate, in crescita del 16% rispetto all’anno precedente. Questa crescita delle vendite è stata guidata da un aumento del 23% nel mercato post-vendita commerciale, alimentato da un volume più elevato sia nei grandi motori commerciali sia in Pratt Canada, un salto del 15% nel settore militare è dovuto al programma F135, e un aumento del 5% nell’OE commerciale come risultato 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% a $7,62 miliardi, con crescita proveniente da vendite militari, equipaggiamento originale per nuovi jet, e compagnie aeree che acquistano riparazioni e altri componenti. I ricavi di Raytheon sono aumentati del 10% a $7,05 miliardi poiché la domanda sia per i suoi sistemi di difesa aerea sia per i programmi navali è rimasta forte.

L’EPS GAAP dell’azienda era $1,41, e l’EPS rettificato era $1,70. Il flusso di cassa operativo per il trimestre è stato $4,6 miliardi, e il flusso di cassa libero è stato $4 miliardi. Ha anche riportato un backlog di $251 miliardi, che include $148 miliardi nel settore commerciale e $103 miliardi nella 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 rettificato anno su anno,” ha detto il CEO Chris Calio. “Abbiamo anche ricevuto $37 miliardi di nuovi contratti nel trimestre, riflettendo una robusta domanda globale per i nostri prodotti e supportando la crescita a lungo termine per RTX.”

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

Sulla base di queste prestazioni e della “continua forza della domanda”, l’azienda ha aumentato le previsioni per l’intero anno sottolineando il suo impegno a “eseguire il nostro backlog di $251 miliardi e aumentare la nostra produzione per supportare l’espansione dei programmi critici, investendo in prodotti di prossima generazione e servizi che soddisfano le esigenze dei nostri clienti.“

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Conclusione

Le leghe ad alte temperature svolgono un ruolo fondamentale nella scienza dei materiali e nella tecnologia energetica. La spinta globale verso l’efficienza e la sostenibilità significa che abbiamo bisogno di materiali in grado di gestire condizioni estreme, e questa domanda è in costante aumento.

Per decenni, le superleghe a base di nichel sono state la scelta standard per le parti di turbine e motori a reazione. Ma stanno raggiungendo i loro limiti. Ecco perché 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 prossima generazione potrebbero rivoluzionare l’aerospazio, consentendo ai motori a reazione di funzionare 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 in 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 promettenti nuove 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). Una lega di cromo‑molibdeno duttile resistente all’ossidazione ad alte temperature. Nature, 646, 331–