새로운 Cr-Mo-Si 합금, 제트 엔진의 열 한계 재정의 가능성

연구진은 놀라울 정도로 높은 온도 저항성을 갖는 새로운 재료를 개발했으며, 제트 엔진에서 사용할 수 있는 강력한 잠재력을 보여주고 있다.

강력한 기술인 제트 엔진, 가스 터빈, 산업 기계, 엑스선 장비 등은 매우 높은 온도에耐性 있는 재료가 필요하다. 텅스텐(W), 크로뮴(Cr), 몰리브덴(Mo)과 같은 내화 금속은 약 2,000도 이상의 매우 높은 녹는 점과卓越한 내열성, 내마모성, 변형 저항성을 갖기 때문에 이러한 응용 분야에 이상적이다.

그러나 이러한 금속은卓越한 내열성을 보여주지만, 상온에서 매우 취약해진다. 또한 이러한 금속은 산소에 노출되면 빠르게 산화되어 600도에서 700도 사이의 온도에서 재료가 손상된다.

따라서 이러한 재료는 복잡한 진공 조건下에서만 효과적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 엑스선 회전 아노드와 같은 경우에 사용된다. 이러한 제한을 극복하기 위해 엔지니어들은 오래전부터 니켈 기반 초합금을 사용하여 높은 열에耐性 있는 부품을 제작하기 위해 노력해왔다.

니켈 기반 초합금: 강점, 한계, 그리고 왜 그것이 한계에 도달하고 있는가

초합금은卓越한 기계적 특성과 극한의 열과 높은 응력에 대한 저항성으로 알려져 있다. 또한 良好한 표면 및 상 안정성, 높은 산화 및 부식 저항성을 갖는다.
이러한 합금은最初에 항공기 터빈 엔진을 위해 개발되었지만, 이후 많은 다른 요구되는 응용 분야로 확대되었다. 예를 들어, 가스 터빈, 로켓 엔진, 발전, 화학 처리,石油 플랜트 등이 있다.
니켈(Ni)은 여기서 핵심적인 역할을 한다. 은색의 광택이 나는 전이 금속으로, 스테인리스 강 합금에서 사용된다. 또한 배터리 에너지 밀도 및 성능에 중요한 역할을 하며, 전기 자동차의 더 긴 범위를 가능하게 한다.
이 금속의 특성은 또한 항공 우주 부품에서 중요하다. 이 부품은 온도 및 습도変化에 노출되기 때문이다. 산화 및 부식에 저항성이 있기 때문에, 니켈 합금은 부품의 수명을 연장하며, 이는 작동 효율성 및 안전성을 향상시킨다.
니켈 기반 초합금은 실제로 가장 뜨거운 부품에 가장 많이 사용된다. 고온에서 크리프 및 응력 파단에 대한卓越한 저항성으로 인해, 先進적인 항공기 엔진의 중량의 50% 이상을 구성한다.
또한 높은 온도 강도, 피로 저항, 경량 내구성, 良好한 전기 전도성을 갖는다.
이러한 다성분 합금은 니켈과 알루미늄(Al), 크로뮴(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo)과 같은 합금 원소를 포함할 수 있다.
니켈 기반 초합금에는 높은 비용, 작업 경화로 인한 가공 어려움, 낮은 열 전도성, 용접 및 적층 제조 중에 裂纹이 발생할 수 있는 가능성 등이 있다. 또한 산화 및 부식으로 인해 기계적 특성이 저하될 수 있다.

“현재의 초합금은 많은 다른 금속 원소를 포함하고 있으며, 이는 여러 특성을 결합한다. 상온에서 연성이며, 높은 온도에서 안정적이며, 산화에 저항성이 있다.”

– 마틴 헤일마이어 교수, 카이저슬라우테른 기술 대학 응용 물질 연구소

그러나 문제는 작동 온도이다. 즉, “안전하게 사용할 수 있는 온도”이며, 이는 1,100도까지이다. 그는 다음과 같이 말했다.

“이 온도는 터빈이나 다른 고온 응용 분야에서 더 높은 효율성을 달성하기에는 너무 낮다. 사실, 연소 과정의 효율은 온도와 함께 증가한다.”

이러한 제한을 제거하기 위해, 독일 연구 재단(DFG)은 자금을 제공했으며, 연구진은 크로뮴(Cr), 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si)의 새로운 합금을 성공적으로 개발했다.
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Cr-Mo-Si 내화 합금: 상온 연성 + 1,100 °C 산화 저항

자동차와 트럭이 빠르게 전기화되어 지속 가능한 교통을 달성하고 이 분야를 탈탄화시키고 있지만, 장거리 항공에서 사용되는 연소 엔진은 아직 필요하다.
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전기 동력 항공기는 “장거리 비행에 적합하지 않을 것이다. 따라서 연료 소비를 크게 줄이는 것이 매우 중요할 것이다.”
터빈에서 100도 정도의 온도 증가는 연료 소비를 약 5% 줄일 수 있다.
에너지 변환의 효율성을 개선하는 방법 중 하나는 연소 온도를 높이는 것이다. 그러나 이를 달성하기 위해서는 단결정 니켈 기반 초합금을 터빈의 가장 뜨거운 부분에서 내화 재료로 대체해야 한다. 이 재료는 2,000도 이상의 훨씬 높은 고형점을 갖는다.
새로운 금속-간금속 재료로 先進적인 니켈 기반 초합금을 대체하는 것은 두 가지 주요 제한으로 인해 방해된다. 이것은 산화 저항 및/또는 상온에서 연성의 부족이다.
현재 연성 및 산화 저항을 예측할 수 있는 정확한 시뮬레이션 기능이 없다. 이것은 컴퓨터를 사용한 재료 개발에서 상당한 진전이 이루어졌음에도 불구하고如此이다. 따라서 과학자와 엔지니어는 관찰에 의존해야 한다.
네이처에 발표된 최근 연구는 ‘고온 산화에 저항하는 연성 크로뮴-몰리브덴 합금’이라는 제목의 새로운 재료를 소개했다.
내화 금속 기반의 합금은 “상온에서 연성이며, 녹는점은 약 2,000도이며, 이전에 알려진 내화 합금과 달리 느리게 산화한다”고 알렉산더 카우프만 박사는 말했다.
크로뮴과 몰리브덴의 사용은 내화 금속 원소의 문제를 해결한다. 산화의 문제를 해결한다. 크로뮴은 보호용 크로뮴 산화물의 형성을 유도하며, 몰리브덴은 질화에 저항하는 영역을 만든다.
실리콘은 규모 성장을 느리게 하기 위해 세 번째 원소로 사용된다. 그것의 낮은 양으로 인해 연구진은 단일 상, 무질서한 고용체를 합성할 수 있었다.
이 재료는 가장 중요한 임계 요구 사항을 모두 충족한다. 그러나 산업 수준에서 사용하기 위해서는 “많은 다른 개발 단계”를 거쳐야 한다.
그러나 “기본 연구에서 우리의 발견은 중요한 里程碑에 도달했다. 전 세계의 연구 그룹이 이 성과를 기반으로 할 수 있다”고 헤일마이어는 말했다.

誰が 재료 경쟁을 이끌고 있는가: 미국, 유럽, 중국, 터키

연구진이 온도 및 내구성의 장벽을 깨뜨리면서, 유사한 돌파구가 전 세계에서 나타나고 있다.
이번 년초, 에임스 국립 연구소의 한 팀이 니켈 및 코발트 기반 초합금을 대체할 새로운 합금을 발견했다.
그들은 또한 내화 금속을 사용했다. 니켈과 코발트의 녹는점보다 훨씬 높은 녹는점을 갖기 때문이다. 그러나 그들을 부품으로 가공하는 복잡한 문제가 있다.
따라서 연구진은 내화 금속을 다원소 합금으로 결합하기로 결정했다. 이 합금은 하나의 원소에 기반하지 않고, 세 개 이상의 원소로 구성되며, 어느 것도 전체 구성의 50%를 초과하지 않는다.

“우리는 이러한 OTHERWISE 취약한 순수한 원소를 상당한 양으로 결합하면 고유한 특성을 갖는 원자 구조가 생성된다는 것을 알게 되었다.”

– 팀 리더 니콜라스 아르기바이, 에임스 연구소의 과학자, 아이오와 주립 대학에서 운영하는 미국 에너지부 과학 사무소의 국립 연구소

그러나 세 개 이상의 원소를 결합하는 것은 “조합을 검색하기 위해 수백만 개의 조합”을 의미한다. 이것은 시간이 걸리는 과정이다. 그러나幸い, 인공지능을 사용하여 시간과 돈을 절약할 수 있었다.
따라서 재료와 그 구성원을 찾기 위해, 연구진은 계산 프레임워크를 사용했다. 이 프레임워크는 에임스 연구소의 두 과학자, 프라샨트 싱과 듀안 존슨에 의해 개발되었다.

“우리는 실험과 인터페이스를 갖는 이론 지향적 방법론을 만들었다. 실험을 위한 올바른 방향을 가리킨다. 그들이 원하는 재료의 특성을 갖는 새로운 합금을 위해.

– 존슨

이 새로운 합금은 더 높은 온도에서 변형에 대한 더 많은 내구성을 갖는다. 또한 제조를 위한 필요한 연성 특성을 갖는다.
에임스 팀의 접근 방식은 설계가 어떻게 발견을 가속화하는지 보여준다. 이번에 걸쳐서 컴퓨터와 실험 간의 협력을 기반으로, 매사추세츠 공과 대학의 연구진은 기계 학습(ML)과 금속 3D 프린팅 설계를 결합하여 알루미늄 기반 합금을 설계했다.
이 합금은 인쇄된 부품이 7075와 같은 강도와 일치하며, 400 °C 노화 후에는 가장 강한 인쇄 가능한 알루미늄 벤치마크보다 약 50% 더 강하다.
연구진은 이 새로운 금속을 더 강하고 경량이며 온도에 저항성이 높은 제품으로 만들기를 희망한다. 예를 들어, 제트 엔진의 팬 블레이드와 같은 제품이다. 이 제품은 현재 더 비싼 티타늄으로 만들어진다.
“경량의 고강도 재료를 사용할 수 있다면, 교통 산업에 상당한 에너지를 절약할 수 있을 것이다.”
항공 우주 및 수송 산업 외에도, 연구진은 이 인쇄 가능한 합금이 데이터 센터의 냉각 장치 및 고성능 자동차에 사용될 수 있을 것으로 예상한다. 그들의 연구는 적층 제조와 알루미늄 합금 설계가 어떻게 더 가볍고, 더 강하고, 더 열에 저항성이 있는 재료를 만들기 위해 만나는지 강조한다.
또 다른 지역에서, 터키 항공 우주 모터 제조업체 TEI는 전투기 및 헬리콥터 모터 기술을 위한 20개 이상의 고유한 초합금 및 티타늄 합금을 개발했다고 보고했다.

“전쟁은現在 연구소와 공장에서 승리한다. 제작한 기술이 전쟁의 운명을 결정한다.”

– TEI 총괄 매니저 마흐무트 파루크 아크시트

항공기 엔진 내부 온도는 매우 높기 때문에, ‘태양 표면의 절반 정도의 온도’를 갖는다. 이러한 극한의 열에서 작동할 수 있는 금속이 필요하다. 이것은 “냉각 시스템, 특별한 코팅 및 재료 기술이 매우 중요하다”고 그는 추가했다.
유사한 모멘텀은 중국에서 전개되고 있다. 연구진은 현재 고온 터빈 엔진 부품의 성능 및 내구성을 개선하기 위한 새로운 초합금 냉각 기술을 개발 중이다. 이 기술은 先進적인 제트 엔진을 가능하게 할 수 있다.
중국 연구진은 또한 15% 더 높은 온도에서 견딜 수 있는 알루미늄 합금 터빈 블레이드를 생산하는 새로운 기술을 개발했다. 이 향상된 열 저항은 더 큰 엔진 추력, 더 좋은 에너지 효율성, 더 긴 수명을 제공할 수 있다.
“이 방법은 열역학적 가공 기술을 사용하여 구리-마그네슘-강 합금 구조를 블레이드 내부에 삽입한다. 이로 인해 블레이드가 극한의 고온 조건에서 장기간 기능을 유지할 수 있다.”
구리와 강의 열 전도성 및 열 저항성을 사용하여, 이 합금은 미래의 항공기 및 로켓 엔진의 연소 챔버와 같은 응용 분야에 적합하다.
이러한 과학자들이 전 세계적으로 제트 엔진의 다양한 측면을 개선하기 위해 어떻게 일하고 있는지 보여준다. 이것은 항공 및 발전을 혁신하는 데 도움이 된다.
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제트 엔진 발전에 투자하기

항공 우주 및 방위 기업, 레이시온 테크놀로지스(Raytheon Technologies) (RTX ) 는 先進적인 재료 및 추진 기술 혁신을 위한 세계적인 주요 투자자 중 하나이다. 프랫 앤 휘트니(Pratt & Whitney) 자회사를 통해 군사, 비즈니스 제트, 상업, 일반 항공 고객을 위한 항공기 엔진을 공급한다.
이 회사는 또한 콜린스 에어로스페이스(Collins Aerospace) 및 레이시온(Raytheon) 세그먼트를 보유하고 있다. 콜린스 에어로스페이스는 先進적인 항공 우주 및 방위 제품 및 후판 서비스 솔루션을 제공한다. 레이시온은 공중 및 미사일 방어, 스마트 무기 등에 先進적인 능력을 개발한다.
회사는 정기적으로 학술 및 정부 연구 이니셔티브에 자금을 지원하며, 다음 세대의 제트 엔진을 위한 더 높은 효율성 및 더 높은 온도의 재료를 개발하기 위해 협력한다. 내화 합금, 세라믹 매트릭스 복합체(CMCs), 적층 제조 기술을 탐구한다.
239.5억 달러의 시가 총액을 보유한 RTX는 현재 178.75달러에 거래되고 있으며, 올해까지 54.38% 상승했다. 지난 주, RTX 주가는 180.50달러의 역사적인 최고치를 기록했다. 두 년 전, 회사의 주가는 100달러 미만으로 거래되었다.