Nieuwe Cr-Mo-Si Legering Kan de Warmtegrenzen van Turbines Herdefiniëren

Onderzoekers hebben een nieuw materiaal ontwikkeld met opmerkelijk hoge temperatuurbestendigheid, wat een sterk potentieel voor gebruik in straalmotoren aantoont.

Krachtige technologieën zoals straalmotoren, gasturbines, industriële machines en röntgenapparatuur vereisen materialen die extreem hoge temperaturen kunnen weerstaan. Hittebestendige metalen zoals wolfraam (W), chroom (Cr) en molybdeen (Mo), met zeer hoge smeltpunten van ongeveer 2.000 graden Celsius of hoger en uitzonderlijke weerstand tegen hitte, slijtage en vervorming, zijn ideaal voor dergelijke toepassingen.

Echter, hoewel deze metalen een indrukwekkende thermische stabiliteit vertonen, worden ze zeer bros bij kamertemperatuur. Deze metalen oxideren ook snel wanneer ze aan zuurstof worden blootgesteld, wat leidt tot materiaalfalen bij temperaturen tussen 600 en 700 graden Celsius.

Als gevolg hiervan kunnen deze materialen alleen effectief worden gebruikt onder complexe vacuümomstandigheden, zoals in roterende anodes voor röntgenstralen. Om deze beperkingen te overwinnen, hebben ingenieurs al lange tijd vertrouwd op nikkelgebaseerde superlegeringen om componenten te bouwen die hoge hitte moeten weerstaan.

Nickelgebaseerde Superlegeringen: Sterktes, Grenzen en Waarom Ze Hun Limiet Bereiken

Een superlegering is een hoogwaardig legering bekend om zijn uitzonderlijke mechanische eigenschappen en weerstand tegen extreme hitte en hoge spanning. Ze hebben ook een goede oppervlakte- en fase‑stabiliteit, en hoge oxidatie‑ en corrosiebestendigheid.

Deze legeringen werden aanvankelijk ontwikkeld voor vliegtuigturbine‑motoren, alleen om uit te breiden naar veel andere veeleisende toepassingen in de loop der tijd, waaronder gasturbines, raketmotoren, energieopwekking, chemische verwerking en petroleuminstallaties. 

Ze zijn voornamelijk gebaseerd op nikkel, ijzer of kobalt en kunnen mechanische integriteit behouden bij temperaturen waarbij de meeste andere legeringen zouden falen.

Nikkel (Ni) is hier van cruciaal belang. Het zilver‑witte, glanzende overgangsmetaal is bekend om zijn gebruik in roestvrijstalen legeringen. Het speelt eigenlijk een belangrijke rol in de energiedichtheid en prestaties van batterijen, waardoor langere reikwijdtes mogelijk worden mogelijkheden in elektrische voertuigen. 

De eigenschappen van het metaal zijn ook cruciaal voor luchtvaartcomponenten, die worden blootgesteld aan temperatuurschommelingen en vochtigheid. Door bestand te zijn tegen oxidatie en corrosie, verlengen nikkellegeringen de levensduur van componenten, en zo de operationele efficiëntie en veiligheid verbeteren.

Nikkelgebaseerde superlegeringen zijn eigenlijk het meest gebruikt voor de heetste onderdelen, en vormen meer dan 50 % van het gewicht van geavanceerde vliegtuigmotoren, dankzij hun uitstekende weerstand tegen kruip en spanningsbreuk bij hoge temperatuur.

Ze vertonen ook hoge‑temperatuurssterkte, weerstand tegen vermoeidheid, een lichtgewicht duurzaamheid en goede elektrische geleiding.

Deze meercomponentenlegeringen bestaan uit nikkel en kunnen legeringselementen bevatten zoals aluminium (Al), chroom (Cr), kobalt (Co), titanium (Ti) en molybdeen (Mo) om hun eigenschappen te verbeteren.

Nikkelgebaseerde superlegeringen hebben hun eigen beperkingen, hoewel, waaronder hoge kosten, moeilijkheden bij bewerken door werkverharding en lage thermische geleidbaarheid, en gevoeligheid voor scheuren tijdens lassen en additive fabricage. Ze kunnen ook lijden aan oxidatie en kunnen ervaren verslechterde mechanische eigenschappen door de vorming van ongewenste precipieten.

“De bestaande superlegeringen bestaan uit veel verschillende metalen elementen, waaronder zelden beschikbare, zodat ze meerdere eigenschappen combineren. Ze zijn ductiel bij kamertemperatuur, stabiel bij hoge temperaturen en bestand tegen oxidatie.”

– Professor Martin Heilmaier van het Institute for Applied Materials (AMAT ), Materials Science and Engineering van KIT

Maar het probleem zijn hun bedrijfstemperaturen, die “de temperaturen zijn waarin ze veilig kunnen worden gebruikt,” en ze variëren tot 1.100 graden Celsius. Hij voegde toe:

“Dit is te laag om het volledige potentieel voor meer efficiëntie in turbines of andere hoogtemperatuortoepassingen te benutten. Het feit is dat de efficiëntie van verbrandingsprocessen toeneemt met de temperatuur.”

Om deze beperkingen te verwijderen, heeft de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) financiering verstrekt financiering, en de onderzoekers hebben met succes ontwikkeld¹ een nieuwe legering van chroom (Cr), molybdeen (Mo) en silicium (Si).

Klik hier om meer te leren over de hyperadaptor legering die is ontworpen voor extreme industriële eisen.

Cr-Mo-Si Hittebestendige Legering: Ductiliteit bij Kamertemperatuur + 1.100 °C Oxidatieweerstand

Terwijl auto’s en vrachtwagens snel worden geëlektrificeerd om duurzaam transport te realiseren en de sector te decarboniseren, zullen verbrandingsmotoren in langeafstandsvliegtuigen nog steeds nodig blijven, althans in de komende decennia.

Veeg om te scrollen →

Elektrisch aangedreven vliegtuigen, merkte Heilmaier op, “zullen de komende decennia nauwelijks geschikt zijn voor langeafstandsvluchten. Daarom zal een aanzienlijke vermindering van het brandstofverbruik een cruciaal vraagstuk zijn.”

In een turbine kan een stijging van slechts 100 graden Celsius de brandstofconsumptie met ongeveer 5 % verminderen.

Dus, een manier om de efficiëntie van energieomzetting uit fossiele of synthetische brandstoffen te verbeteren, is hun bedrijfstemperaturen te verhogen. Maar om dat te bereiken, moeten enkelkristallijne nikkelgebaseerde superlegeringen worden vervangen door hittebestendige materialen in de heetste delen van turbines, die veel hogere solidustemperaturen boven de 2.000 °C vertonen.

De vervanging van geavanceerde Ni-gebaseerde superlegeringen door nieuwe metalen‑intermetallische materialen wordt echter belemmerd door twee primaire beperkingen. Dit omvat een gebrek aan oxidatieweerstand en/of ductiliteit bij kamertemperatuur (RT).

Het probleem is dat ductiliteit en oxidatieweerstand niet voldoende kunnen worden voorspeld om gerichte materiaalkunde mogelijk te maken.

Momenteel zijn er geen nauwkeurige voorspellende simulatiemogelijkheden voor een van beide eigenschappen. Dit ondanks de aanzienlijke vooruitgang in de computerondersteunde ontwikkeling van materialen. Als gevolg hiervan moeten wetenschappers en ingenieurs vertrouwen op observaties.

Gepubliceerd in Nature introduceerde de nieuwste studie met de titel ‘Een ductiele chroom-molybdeenlegering die bestand is tegen oxidatie bij hoge temperaturen’ het nieuwe materiaal: een enkel‑fase Cr-36.1Mo-3Si legering.

De op hittebestendige metalen gebaseerde legering “is ductiel bij kamertemperatuur, heeft een smeltpunt van ongeveer 2.000 graden Celsius, en – in tegenstelling tot tot nu toe bekende hittebestendige legeringen – oxideert hij slechts langzaam, zelfs in het kritieke temperatuurbereik,” zei Dr. Alexander Kauffmann, professor aan de Ruhr‑Universität Bochum, die een belangrijke rol speelde in deze ontdekking.

Het gebruik van Cr en Mo hier pakt de problemen van hittebestendige metaalelementen aan, die oxidatieproblemen vertonen en hun toepassing beperken. Terwijl Cr leidt tot de vorming van een beschermende Cr2O3-schaal, maakt Mo de gebieden resistent tegen nitraatvorming.

Si wordt gebruikt als een minder belangrijk derde element om een langzame groei van de Cr2O3-schaal te waarborgen. De geringe hoeveelheid stelde de onderzoekers in staat om enkel‑fase, ongeordende vaste oplossingen te synthetiseren.

Met zijn ongeëvenaarde eigenschappen “voedt dit de visie om componenten te kunnen maken die geschikt zijn voor bedrijfstemperaturen die aanzienlijk hoger liggen dan 1.100 graden Celsius. Het resultaat van ons onderzoek heeft dus het potentieel om een echte technologische sprong mogelijk te maken,” zei Kauffmann.

Maar hoewel het materiaal voldoet aan de belangrijkste kritische eisen voor hittebestendige materialen, moet het om op industrieel niveau te worden gebruikt, door “veel andere ontwikkelingsstappen” gaan.

Desondanks, “met onze ontdekking in fundamenteel onderzoek hebben we een belangrijke mijlpaal bereikt. Onderzoeksgroepen over de hele wereld kunnen nu voortbouwen op deze prestatie,” zei Heilmaier.

Wie Leidt de Materiaalrace: VS, Europa, China, Turkije

Naarmate onderzoekers de temperatuur- en duurzaamheidbarrières van traditionele nikkelgebaseerde superlegeringen blijven doorbreken, ontstaan vergelijkbare doorbraken wereldwijd.

Eerder dit jaar ontdekte een team van het Ames National (ATLO ) Laboratory ontdekte een nieuwe legering die mogelijk nikkel‑ en kobalt‑gebaseerde superlegeringen kan vervangen, waarvan de hitte‑tolerantie de verbetering van energie‑efficiëntie beperkt.

Ze kozen ook vanzelfsprekend voor hittebestendige metalen omdat deze de enige zijn met smeltpunten veel hoger dan die van nikkel en kobalt. Maar uiteraard is er de complexe kwestie van het vervaardigen en vormen van deze materialen tot onderdelen.

Dus besloten de onderzoekers hittebestendige metalen te combineren tot multi‑principale‑elementlegeringen, die niet op één element zijn gebaseerd maar op drie of meer elementen, waarbij geen meer dan 50 % van de totale samenstelling uitmaakt.

“We zijn tot het inzicht gekomen dat het combineren van veel van deze anders brosse zuivere elementen in aanzienlijke hoeveelheden atomaire structuren creëert die emergente, unieke eigenschappen vertonen.”

– Teamleider Nicholas Argibay, wetenschapper bij Ames Lab, een Nationaal Laboratorium van het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy, beheerd door Iowa State University.

Echter, het combineren van meer dan drie elementen betekent “miljoenen combinaties om te doorzoeken,” wat een tijdrovend proces is. Maar dankzij AI konden ze tijd en geld besparen en “het in één keer goed doen”.

Dus, om de materialen en hun samenstelling te vinden, maakten de onderzoekers gebruik van een computationeel raamwerk, dat werd ontwikkeld door twee wetenschappers van Ames Lab, Prashant Singh en Duane Johnson.

“We hebben een theorie‑geleide methodologie samengesteld die aansluit op experimenten. Het wijst de experimenteerders in de juiste richting voor nieuwe legeringen met de specifieke eigenschappen die zij in die materialen willen hebben.”

– Johnson

Deze nieuwe legering vertoont meer veerkracht tegen vervorming bij hogere temperaturen en de benodigde ductiliteitseigenschappen om vervaardigd te worden met commercieel gevestigde methoden.

De aanpak van het Ames‑team benadrukt hoe ontwerp ontdekkingen kan versnellen die vroeger jaren van trial‑and‑error kostten. Op basis van deze samenwerking tussen berekening en experimentatie hebben onderzoekers van MIT machine learning (ML) gecombineerd met metaal‑3D‑printen om een op aluminium gebaseerde legering te ontwerpen waarvan de geprinte onderdelen de sterkte van gesmeed 7075 evenaren — en, na veroudering op 400 °C, ongeveer 50 % sterker zijn dan de sterkste printbare aluminium referentie.

Om dit nieuwe metaal te creëren, mengde het team aluminium met andere elementen die via simulaties en ML werden geïdentificeerd.

De onderzoekers hopen hun nieuwe printbare metaal om te zetten in sterkere, lichtere en temperatuur‑bestendige producten, zoals ventilatorbladen in straalmotoren, die momenteel worden gemaakt van duurdere en zwaardere titanium.

“Als we lichter, hoogsterk materiaal kunnen gebruiken, zou dit een aanzienlijke hoeveelheid energie voor de transportsector besparen,” zei de studie‑leider Mohadeseh Taheri‑Mousavi, die nu assistent‑professor is aan de Carnegie Mellon University.

Naast de luchtvaart- en transportindustrie zien de onderzoekers hun printbare legering gebruikt worden in koelapparaten voor datacenters en high‑end auto’s. Hun werk benadrukt hoe additive manufacturing en AI‑gedreven legeringsontwerp samenkomen om lichtere, sterkere en thermisch efficiëntere materialen te creëren, eigenschappen die essentieel zijn voor toekomstige straalpropulsie en energiesystemen.

In een ander deel van de wereld heeft de Turkse luchtvaartmotorfabrikant TEI gemeld meer dan 20 unieke superlegeringen en titaniumlegeringen te hebben ontwikkeld voor gebruik in gevechtsvliegtuig‑ en helikoptermotoren.

“Oorlogen worden nu gewonnen in laboratoria en fabrieken. De technologie die je produceert bepaalt het lot van oorlog.”

– TEI‑algemeen directeur Mahmut Faruk Aksit

Met temperaturen in vliegtuigmotoren die extreem hoog oplopen, ‘de helft van de temperatuur van het zonoppervlak,’ zijn metalen nodig die in zo’n extreme hitte kunnen functioneren. Dit maakt “koelsystemen, speciale coatings en materiaattechnologieën cruciaal,” voegde hij toe.

Een vergelijkbare dynamiek ontstaat in China, waar onderzoekers momenteel werken aan een nieuwe superlegering‑koeltechniek om de prestaties en duurzaamheid van hoogtemperatuurturbine‑motoronderdelen te verbeteren, wat geavanceerde straalmotoren mogelijk kan maken.

Chinese onderzoekers hebben ook een nieuwe techniek ontwikkeld om legerings‑turbinebladen te produceren die temperaturen tot 15 % hoger dan bestaande versies kunnen weerstaan. Deze verbeterde hittebestendigheid wordt verwacht meer motorstuwkracht, betere energie‑efficiëntie en een langere levensduur te leveren.

“Deze methode integreert een koper‑magnesium‑staal composietstructuur in het blad met behulp van thermo‑mechanische verwerkingsmethoden,” stelt het patent voor de technologie. “Dit maakt het mogelijk dat het blad langdurige functionaliteit behoudt onder extreme hoogtemperatuurcondities.”

Het gebruik van de thermische geleidbaarheid van koper en de hittebestendigheid van staal maakt het composiet geschikt voor toekomstige toepassingen in vliegtuig‑ en raketmotorverbrandingskamers. Zo werken wetenschappers wereldwijd aan het verbeteren van verschillende aspecten van straalmotoren, wat bijdraagt aan de revolutie van de luchtvaart en energieopwekking.

Klik hier om te leren hoe een verbeterde nanokristallijne legering de luchtvaart‑ en autosectoren zou kunnen revolutioneren.

Investeren in de Vooruitgang van Straalmotoren

Lucht- en defensiebedrijf Raytheon Technologies (RTX ), is een van de toonaangevende wereldwijde investeerders in geavanceerde materialen en voortstuwingsinnovatie via haar dochteronderneming Pratt & Whitney. Dit segment levert vliegtuigmotoren voor militaire, zakenjet-, commerciële en algemene luchtvaartklanten.

Het heeft twee andere segmenten: Collins Aerospace levert technologisch geavanceerde lucht‑ en defensieproducten en after‑market service‑oplossingen, en Raytheon ontwikkelt geavanceerde capaciteiten op het gebied van lucht‑ en raketverdediging, slimme wapens en meer.

Het bedrijf financiert en werkt regelmatig samen met academische en overheids onderzoeksinitiatieven om materialen met hogere efficiëntie en hogere temperaturen voor volgende‑generatie straalmotoren te ontwikkelen. Het onderzoekt hittebestendige legeringen, keramische matrixcomposieten (CMCs) en additive‑fabricagetechnieken.

Met een marktkapitalisatie van $239,5 miljard wordt RTX momenteel verhandeld tegen $178,75, een stijging van 54,38 % dit jaar tot nu toe. Vorige week bereikten RTX‑aandelen een recordhoogte (ATH) van $180,50. Slechts twee jaar geleden werden de aandelenkoersen van het bedrijf verhandeld onder $100.

Het heeft een EPS (TTM) van 4,87 en een P/E (TTM) van 36,68. Het dividendrendement voor aandeelhouders bedraagt 1,52 %.

Wat de financiële resultaten betreft, rapporteerde RTX een omzet van $22,5 miljard voor het derde kwartaal van 2025, een stijging van 12 % ten opzichte van het voorgaande jaar.

Het Pratt & Whitney‑segment rapporteerde een operationele winst van $751 miljoen, een stijging van 35 %, en $8,42 miljard aan aangepaste omzet, een stijging van 16 % ten opzichte van het voorgaande jaar. Deze omzetgroei werd aangevoerd door een stijging van 23 % in de commerciële after‑market, gedreven door een hoger volume in zowel grote commerciële motoren als Pratt Canada, een sprong van 15 % in de militaire sector als gevolg van het F135‑programma, en een stijging van 5 % in de commerciële OE als gevolg van een toegenomen volume van grote commerciële motoren.

Ondertussen zag de leverancier van avionica en andere vliegtuigsystemen, Collins Aerospace, de omzet stijgen met 8 % tot $7,62 miljard, met groei afkomstig van militaire verkopen, originele uitrusting voor nieuwe jets, en luchtvaartmaatschappijen die reparaties en meer onderdelen aankopen. De omzet van Raytheon steeg met 10 % tot $7,05 miljard, aangezien de vraag naar zowel hun luchtverdedigingssystemen als maritieme programma’s sterk bleef.

De GAAP‑EPS van het bedrijf bedroeg $1,41, en de aangepaste EPS $1,70. De operationele kasstroom voor het kwartaal bedroeg $4,6 miljard, en de vrije kasstroom $4 miljard. Het rapporteerde ook een orderportefeuille van $251 miljard, bestaande uit $148 miljard commercieel en $103 miljard defensie.

“Sterke uitvoering in het derde kwartaal stelde ons in staat om een dubbele‑cijferige organische omzetgroei te realiseren in alle drie segmenten en ons zesde opeenvolgende kwartaal van jaar‑over‑jaar aangepaste segmentmarge‑uitbreiding,” zei CEO Chris Calio. “We hebben ook $37 miljard aan nieuwe opdrachten ontvangen in het kwartaal, wat wijst op een robuuste wereldwijde vraag naar onze producten en de langetermijngroei van RTX ondersteunt.”

RTX heeft in het derde kwartaal $2,9 miljard aan schulden afgelost en $900 miljoen aan aandeelhouders teruggegeven.

Op basis van deze prestaties en “voortdurende vraagsterkte” heeft het bedrijf haar volledige‑jaar‑prognose verhoogd, terwijl het haar inzet bevestigt om “uit te voeren op onze orderportefeuille van $251 miljard en onze productie te verhogen om de opschaling van kritieke programma’s te ondersteunen, terwijl we investeren in volgende‑generatie producten en diensten die voldoen aan de behoeften van onze klanten.”

Laatste Raytheon Technologies (RTX) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Conclusie

Hoge‑temperatuurslegeringen spelen een cruciale rol in de materiaalkunde en energietechnologie. De wereldwijde drang naar efficiëntie en duurzaamheid betekent dat we materialen nodig hebben die extreme omstandigheden aankunnen, en die vraag blijft alleen maar groeien.

Al decennialen lang zijn nikkelgebaseerde superlegeringen de standaardkeuze geweest voor turbine‑ en straalmotoronderdelen. Maar ze bereiken hun grenzen. Daarom wekt de recente ontdekking van een ductiele, oxidatie‑bestendige Cr‑Mo‑Si‑legering veel enthousiasme op. Als onderzoekers de productie kunnen ontwikkelen en opschalen, zouden deze super‑hitbestendige legeringen van de volgende generatie de luchtvaart kunnen revolutioneren, waardoor straalmotoren kunnen werken bij temperaturen die ver boven het huidige mogelijke liggen. De potentiële toepassingen stoppen daar niet, aangezien dit deuren kan openen naar energieproductie, industriële verwarming en zelfs ruimte‑propulsie.

Natuurlijk is de overgang van laboratoriumontdekking naar commerciële realiteit nooit eenvoudig. Wetenschappers moeten de samenstelling van de legering verfijnen, productie‑uitdagingen oplossen en manieren ontwikkelen om deze in grote hoeveelheden te produceren. Maar zelfs met die obstakels biedt deze doorbraak veelbelovende nieuwe mogelijkheden voor engineering bij hoge temperaturen.

Klik hier om alles te leren over investeren in titanium.

Referenties

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). Een ductiele chroom‑molybdeenlegering die bestand is tegen oxidatie bij hoge temperaturen. Nature, 646, 331–337. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-82. 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). Additief Produceerbare Hoog‑Sterkte Aluminiumlegeringen met Korrelatie‑Resistente Microstructuren Verkregen via Snelle Stolling. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202509507