新Cr-Mo-Si合金がジェットエンジンの熱限界を刷新する可能性

研究者たちは、非常に高い耐熱性を持つ新素材を開発し、ジェットエンジンへの利用に大きな可能性があることを示しました。

ジェットエンジン、ガスタービン、産業機械、X線装置などの高度な技術は、極めて高温に耐えられる材料を必要とします。タングステン（W）、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）などの耐火金属は、融点が約2,000℃以上と非常に高く、熱・摩耗・変形に対する優れた耐性を持つため、こうした用途に理想的です。

しかし、これらの金属は熱的安定性は高いものの、常温では非常に脆くなります。また、酸素にさらされると急速に酸化し、600〜700℃の温度帯で材料が破壊されやすくなります。

そのため、これらの材料はX線回転陽極のような真空環境下でのみ効果的に使用できます。この制約を克服するため、エンジニアは長らくニッケル系超合金に依存し、高熱に耐える部品を製造してきました。

ニッケル系超合金: 強み、限界、そしてなぜ限界に達しているのか

超合金は高性能合金の一種で、 極端な熱と高応力に対する卓越した機械的特性と耐性で知られています。また、表面と相の安定性が高く、酸化・腐食耐性にも優れています。

これらの合金は当初、航空機タービンエンジン向けに開発され、その後、時間とともにガスタービン、ロケットエンジン、発電、化学加工、石油プラントなど、さまざまな過酷な用途へと拡大しました。

主にニッケル、鉄、またはコバルトを基盤とし、他の合金元素を加えることで、他の多くの合金が失敗する温度領域でも機械的完全性を維持します。

ニッケル（Ni）はここで重要な役割を果たします。銀白色で光沢のある遷移金属は、ステンレス鋼合金に広く使用されているだけでなく、バッテリーのエネルギー密度と性能にも重要で、電気自動車の航続距離を伸ばす要因となっています。

この金属の特性は航空宇宙部品にも不可欠で、温度変化や湿度にさらされる環境でも、酸化・腐食に強く、部品寿命を延長し、運用効率と安全性を高めます。

ニッケル系超合金は、実際には最も高温部品に最も広く使用されており、先進航空エンジンの重量の50％以上を占めています。その理由は、クリープや高温での応力破壊に対する卓越した耐性にあります。

さらに、高温強度、疲労耐性、軽量耐久性、優れた電気伝導性も備えています。

これらの多成分合金はニッケルを主成分とし、アルミニウム（Al）、クロム（Cr）、コバルト（Co）、チタン（Ti）、モリブデン（Mo）などの合金元素を加えて特性を向上させます。

ただし、ニッケル系超合金にも制限があります。高価で、加工硬化による加工困難、熱伝導率が低いこと、溶接や積層造形時の割れやすさが挙げられます。また、酸化が進行しやすく、望ましくない析出物の形成により機械的特性が劣化することもあります。

「既存の超合金は多種の金属元素で構成されており、希少なものも含むため、複数の特性を兼ね備えています。常温で延性があり、高温でも安定し、酸化に強いのが特徴です。」

– カールスルーエ工科大学（KIT）応用材料・材料科学・工学部のマーティン・ハイルマイヤー教授

しかし、問題は「使用できる安全温度範囲」であり、これは「安全に使用できる温度」のことで、最大で1,100℃までです。 彼は付け加えました:

「この温度は、タービンや他の高温用途での効率向上の潜在力を十分に引き出すには低すぎます。燃焼プロセスの効率は温度が上がるほど向上します。」

この制限を取り除くため、ドイツ研究財団（DFG）が資金提供し、研究者は開発に成功しました¹。クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、シリコン（Si）からなる新合金です。

こちらをクリックして、極端な産業要求に対応するハイパーアダプタ合金について学んでください。

Cr-Mo-Si耐火合金: 常温延性＋1,100℃酸化耐性

自動車やトラックが急速に電動化され、持続可能な輸送と脱炭素化が進む中でも、長距離航空機の燃焼エンジンは少なくとも今後数十年は必要とされます。

スワイプしてスクロール →

ハイルマイヤーは「電動航空機は今後数十年で長距離路線にほとんど適さないだろう。したがって、燃料消費の大幅な削減が重要課題になる」と指摘しています。

タービンで温度が100 °C上がるだけで、燃料消費は約5 %削減できます。

したがって、化石燃料や合成燃料からのエネルギー変換効率を向上させる一つの方法は、動作温度を上げることです。しかしそれには、最も高温になるタービン部位で単結晶ニッケル系超合金を耐火材料に置き換える必要があります。耐火材料は固相線が2,000 °Cを超えるためです。

先進的なニッケル系超合金を新しい金属・金属間化合物に置き換えることは、主に酸化耐性の欠如と常温での延性不足という二つの制限に阻まれています。

つまり、延性と酸化耐性は十分に予測できず、目的に合った材料設計が難しいということです。

現在、これら二つの特性を正確に予測できるシミュレーション手法は存在しません。材料開発のコンピュータ支援が進んでも、研究者やエンジニアは観察に依存せざるを得ません。

Natureに掲載された最新の研究『A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation』は、単相Cr-36.1Mo-3Si合金という新素材を紹介しています。

この耐火金属系合金は「常温で延性があり、融点は約2,000 °Cに達し、これまでの耐火合金とは異なり、重要な温度帯でも酸化が極めて遅い」と、ボッホム大学のアレクサンダー・カウフマン教授は述べています。

ここでCrとMoを使用することにより、耐火金属元素が抱える酸化問題を解決し、適用範囲を広げています。Crは保護的なCr₂O₃スケールを形成し、Moは窒化に対する耐性を付与します。

Siは第三元素として少量添加され、Cr₂O₃スケールの成長を遅くします。その低含有量により、研究者は単相・無秩序固溶体を合成できました。

この並外れた特性により、「1,100 °Cをはるかに超える動作温度に適した部品を実現できるというビジョンが育まれました。したがって、我々の研究成果は技術的飛躍をもたらす可能性があります」とカウフマンは語ります。

しかし、産業規模で使用するには「多くの開発ステップ」を踏む必要があります。

「基礎研究での発見により、重要なマイルストーンに到達しました。世界中の研究グループがこの成果を土台にさらなる研究を進められるようになりました」とハイルマイヤーは述べました。

材料レースのリーダーは誰か: 米国、欧州、中国、トルコ

研究者が従来のニッケル系超合金の温度・耐久性の壁を突破し続ける中、同様のブレークスルーが世界各地で形を成しています。

今年初め、エイムズ国立研究所のチームは新しい合金を発見し、ニッケル・コバルト系超合金の熱耐性限界を改善し、エネルギー効率を向上させる可能性を示しました。

彼らは耐火金属に自然に注目しました。これらはニッケルやコバルトよりはるかに高い融点を持つ唯一の金属であり、しかし製造・成形が複雑です。

そこで研究者は、単一元素ではなく三種以上の元素を組み合わせた「マルチプライシパル合金」を作ることにしました。各元素は全体組成の50％未満に抑えられます。

「脆い純元素を大量に組み合わせることで、独自の原子構造が生まれ、独特で新しい特性が現れることが分かってきました。」

– アメリカ・エネルギー省国立研究所（Ames Lab）チームリーダー、ニコラス・アルジベイ（科学者）

しかし、三種以上の元素を混合すると「組み合わせは何百万通りもあり」、時間がかかります。AIのおかげで時間とコストを削減し、最初の試みで正解を得ることができました。

そこで、材料とその組成を見つけるために、アーミス研究所のプラシャン・シンとデュエイン・ジョンソンが開発した計算フレームワークを活用しました。

「実験と連携した理論主導の手法を構築しました。これにより、研究者は求める特性を持つ新合金の方向性を示すことができます。」

– ジョンソン

この新合金は高温での変形に対する耐性が向上し、商業的に確立された製造方法でも加工可能な延性を備えています。

エイムズチームのアプローチは、かつては数年かかっていた発見を加速させることを示しました。この協働を基に、MITの研究者は機械学習と金属3Dプリントを組み合わせ²、7075アルミ合金と同等の強度を持ち、400 °Cでエイジングした後は最も強い印刷可能アルミベンチマークの約50 %上回るAl系合金を設計しました。

チームはシミュレーションと機械学習で特定した元素をアルミに混合し、新しい金属を作り出しました。

研究者は、この新しい印刷金属を、より軽く、強度が高く、耐熱性を備えたファンブレードなどのジェットエンジン部品に応用したいと考えています。これらは現在、より高価で重いチタンで作られています。

「軽量で高強度の材料が使えれば、輸送産業のエネルギー消費を大幅に削減できる」とカーネギーメロン大学の助教モハデセ・タヘリ・ムーサヴィは述べました。

航空宇宙・輸送産業に加え、研究者はこの印刷可能合金をデータセンターの冷却装置や高級自動車にも応用できると見込んでいます。彼らの研究は、付加製造とAI主導の合金設計が融合し、軽量・高強度・熱効率の高い材料を創出し、将来のジェット推進やエネルギーシステムに不可欠な特性を実現することを示しています。

世界の別の地域では、トルコの航空エンジンメーカーTEIが20種以上の独自超合金とチタン合金を開発し、戦闘機やヘリコプターエンジン技術の自立を目指している」と報告しました。

「戦争は今や実験室と工場で決まる。生み出す技術が戦争の行方を左右する。」

– TEIゼネラルマネージャー、マフムト・ファルク・アクシット

航空機エンジン内部の温度は「太陽表面温度の半分」に達し、極端な熱に耐える金属が必要です。そのため「冷却システム、特殊コーティング、材料技術は極めて重要」と彼は付け加えました。

同様の勢いは中国でも見られ、研究者は新しい超合金冷却技術の開発に取り組んでおり、高温タービンエンジン部品の性能と耐久性を向上させ、先進ジェットエンジンを実現しようとしています。

中国の研究者は新しい技術で、既存ブレードより15 %高温に耐える合金タービンブレードを製造できるようになりました。この熱耐性向上は、エンジン推力の増大、エネルギー効率の向上、寿命の延長につながると期待されています。

「この手法は、熱伝導性の高い銅と耐熱性のある鋼を熱機械加工でブレード内部に組み込むことで、極端な高温条件下でも長期的に機能し続けることを可能にします。」と特許は述べています。

銅の熱伝導性と鋼の耐熱性を組み合わせたこの複合材は、将来の航空機やロケットエンジン燃焼室での応用に適しています。こうした取り組みが世界中で進んでおり、ジェットエンジンの様々な側面を改善し、航空と発電の革命を促進しています。

こちらをクリックして、強化ナノ結晶合金が航空宇宙・自動車分野をどう変革するかをご覧ください。

ジェットエンジンの進化への投資 

航空・防衛企業, Raytheon Technologies (RTX ), は子会社プラット＆ホイットニーを通じて先進材料と推進技術への投資で世界をリードする企業の一つです。この部門は軍用機、ビジネスジェット、商業機、一般航空の顧客向けに航空エンジンを供給しています。

同社は他に二つの事業部門を持ちます：コリンズ・エアロスペースは先進的な航空宇宙・防衛製品とアフターマーケットサービスを提供し、レイセオンは航空・ミサイル防衛、スマート兵器などの先端能力を開発しています。

同社は次世代ジェットエンジン向けの高効率・高温材料の研究開発のため、学術機関や政府研究イニシアティブに定期的に資金提供・協力しています。耐火合金、セラミックマトリックス複合材（CMCs）、積層造形技術の探索にも取り組んでいます。

時価総額2395億ドルのRTXは現在、株価178.75ドルで取引され、今年度は54.38 %上昇しています。先週、RTX株は過去最高値（ATH）180.50ドルに達しました。2年前は株価が100ドル未満でした。

財務面では、RTXは2025年第3四半期の売上高が225億ドルで、前年同期比12 %増と報告しました。

プラット＆ホイットニー部門は営業利益751百万ドル、調整売上高8.42億ドルで、前年同期比それぞれ35 %と16 %増加しました。この売上増は、商業アフターマーケットが23 %伸びたことが主因で、大型商用エンジンとプラット・カナダの需要増、軍事部門はF135プログラムで15 %増、商業OEは大型商用エンジンのボリューム増で5 %伸びました。

同時に、アフターマーケット部門のコリンズ・エアロスペースは売上高が76.2億ドルに8 %増加し、増加要因は軍事販売、新規ジェット向けのOEM、航空会社の修理部品需要増です。レイセオンの売上は70.5億ドルに10 %増加し、航空防衛システムと海軍プログラムの需要が堅調でした。

同社のGAAP EPSは1.41ドル、調整後EPSは1.70ドルでした。四半期の営業キャッシュフローは46億ドル、フリーキャッシュフローは40億ドルです。また、商業部門1480億ドル、防衛部門1030億ドルを含む総受注残高は2510億ドルと報告しました。

「第3四半期の堅実な実行により、全三事業部門で二桁の有機的売上成長を達成し、6四半期連続で調整セグメントマージンを拡大できました」とCEOのクリス・カリオは述べました。「四半期に370億ドルの新受注を獲得し、製品への世界的需要が強く、RTXの長期成長を支えると同時に、2510億ドルの受注残高と重要プログラムの出荷拡大に向けた投資を継続しています。」

RTXは第3四半期に29億ドルの負債を返済し、9億ドルを株主に還元しました。

この業績と「継続的な需要の強さ」を受け、同社は通年見通しを上方修正し、「2510億ドルの受注残高を実行し、重要プログラムの出荷を増やすと同時に、次世代製品・サービスへの投資を継続する」ことを明言しました。

最新Raytheon Technologies（RTX）株式ニュースと動向

結論

高温合金は材料科学とエネルギー技術において重要な役割を果たしています。世界が効率と持続可能性を追求する中、極端な環境に耐える材料の需要はますます高まっています。

長年、ニッケル系超合金がタービンやジェットエンジン部品の標準選択とされてきましたが、限界に近づいています。そこで、延性と酸化耐性を兼ね備えたCr-Mo-Si合金の発見が注目を集めています。研究者がこの合金を開発・量産できれば、次世代の耐火合金は航空宇宙分野に革命をもたらし、ジェットエンジンは現在の限界をはるかに超える温度で稼働できるようになるでしょう。その応用は航空だけでなく、エネルギー生産、産業用加熱、さらには宇宙推進まで広がります。

もちろん、研究室での発見を商業化するのは決して簡単ではありません。科学者は合金組成の微調整、製造上の課題解決、大量生産手法の開発が必要です。しかし、これらのハードルが残っていても、このブレークスルーは高温工学に新たな可能性を切り開くものです。

こちらをクリックして、チタン投資の全貌をご覧ください。

参考文献

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