Ny Cr-Mo-Si‑legering kan omskrive varmelimiten for jetmotorer

Forskere har utviklet et nytt materiale med bemerkelsesverdig høy temperaturmotstand, og viser sterkt potensial for bruk i jetmotorer.

Kraftige teknologier som jetmotorer, gasturbiner, industrimaskineri og røntgenutstyr krever materialer som kan tåle ekstremt høye temperaturer. Refraktære metaller som wolfram (W), krom (Cr) og molybden (Mo), med svært høye smeltepunkter på rundt 2 000 grader Celsius eller høyere og enestående motstand mot varme, slitasje og deformasjon, er ideelle for slike anvendelser.

Imidlertid, selv om disse metallene viser imponerende termisk stabilitet, blir de svært sprø ved romtemperatur. Disse metallene oksiderer også raskt når de utsettes for oksygen, noe som fører til materialsvikt ved temperaturer mellom 600 og 700 grader Celsius.

Som et resultat kan disse materialene kun brukes effektivt under komplekse vakuumforhold, som i roterende anoder for røntgen. For å overvinne disse begrensningene har ingeniører lenge stolte på nikkelbaserte superlegeringer for å bygge komponenter som må tåle høy varme.

Nickel‑baserte superlegeringer: Styrker, begrensninger og hvorfor de når sin grense

En superlegering er en høyytelseslegering kjent for sine eksepsjonelle mekaniske egenskaper og motstand mot ekstrem varme og høy belastning. De har også god overflate‑ og fase‑stabilitet, samt høy oksidasjons‑ og korrosjonsmotstand.

Disse legeringene ble opprinnelig utviklet for flyturbine‑motorer, men har over tid blitt utvidet til mange andre krevende anvendelser, inkludert gasturbiner, rakettmotorer, kraftproduksjon, kjemisk prosessering og petroleumsanlegg.

De er hovedsakelig basert på nikkel, jern eller kobolt og kan opprettholde mekanisk integritet ved temperaturer der de fleste andre legeringer ville svikte.

Nikkel (Ni) er av sentral betydning her. Det sølvhvite, glansfulle overgangsmetallet er kjent for sin bruk i rustfrie stållegeringer. Det spiller faktisk en viktig rolle i batteriers energitetthet og ytelse, og muliggjør lengre rekkevidde i elektriske kjøretøy.

Metallets egenskaper er også kritiske for romfartskomponenter, som blir utsatt for temperaturvariasjoner og fuktighet. Ved å være motstandsdyktig mot oksidasjon og korrosjon forlenger nikkellegeringer levetiden til komponentene, og forbedrer dermed driftsytelse og sikkerhet.

Nikkelbaserte superlegeringer er faktisk mest brukt for de varmeste delene, og utgjør over 50 % av vekten i avanserte flymotorer, takket være deres enestående motstand mot krypning og spenningsbrudd ved høye temperaturer.

De viser også høy temperaturstyrke, motstand mot tretthet, lett holdbarhet og god elektrisk ledningsevne.

Disse flerkomponentlegeringene består av nikkel og kan inkludere legeringselementer som aluminium (Al), krom (Cr), kobolt (Co), titan (Ti) og molybden (Mo) for å forbedre egenskapene deres.

Nickel‑baserte superlegeringer har imidlertid sine egne begrensninger, inkludert høy kostnad, vanskeligheter med maskinering på grunn av arbeidsharding og lav termisk ledningsevne, samt mottakelighet for sprekker under sveising og additiv produksjon. De kan også lide av oksidasjon og oppleve forringede mekaniske egenskaper på grunn av dannelse av uønskede utfellinger.

De eksisterende superlegeringene er laget av mange forskjellige metalliske elementer, inkludert sjeldent tilgjengelige, slik at de kombinerer flere egenskaper. De er duktil ved romtemperatur, stabile ved høye temperaturer, og motstandsdyktige mot oksidasjon.

– Professor Martin Heilmaier fra KITS institutt for anvendt materiale, materialvitenskap og ingeniørfag

Men problemet er deres driftstemperaturer, som er «temperaturene de trygt kan brukes ved», og de strekker seg opp til 1 100 grader Celsius. Han la til:

Dette er for lavt til å utnytte det fulle potensialet for mer effektivitet i turbiner eller andre høytemperaturapplikasjoner. Faktum er at effektiviteten i forbrenningsprosesser øker med temperaturen.

For å fjerne disse begrensningene ga den tyske forskningsstiftelsen (DFG) finansiering, og forskerne utviklet med suksess en ny legering av krom (Cr), molybden (Mo) og silisium (Si).

Klikk her for å lære mer om hyperadaptor‑legeringen utviklet for ekstreme industrielle krav.

Cr‑Mo‑Si refraktær legering: Duktilitet ved romtemperatur + 1 100 °C oksidasjonsmotstand

Mens biler og lastebiler raskt blir elektrifisert for å oppnå bærekraftig transport og avkarbonisere sektoren, vil forbrenningsmotorer i langdistansefly fortsatt være nødvendige, i hvert fall i de kommende tiårene.

Swipe to scroll →

Elektrisitet‑drevne fly, bemerket Heilmaier, «vil knapt være egnet for langdistanseflyvninger i de neste tiårene. Dermed vil en betydelig reduksjon av drivstofforbruket være et viktig spørsmål.»

I en turbine kan en økning på bare 100 grader Celsius i temperatur redusere drivstofforbruket med omtrent 5 %.

Så, en måte å forbedre effektiviteten i energikonvertering fra fossile eller syntetiske drivstoff er å øke deres driftstemperaturer. Men for å oppnå dette må enkeltkrystallinske nikkelbaserte superlegeringer erstattes av refraktære materialer i de varmeste områdene av turbiner, som viser mye høyere solidus‑temperaturer over 2 000 °C.

Erstatning av avanserte Ni‑baserte superlegeringer med nye metalliske intermetalliske materialer hindres imidlertid av to hovedbegrensninger. Dette inkluderer mangel på oksidasjonsmotstand og/eller duktilitet ved romtemperatur (RT).

Problemet er at duktilitet og oksidasjonsmotstand ikke kan forutsies tilstrekkelig for å muliggjøre målrettet materialdesign.

For øyeblikket finnes det ingen nøyaktige prediktive simuleringsverktøy for noen av de to egenskapene. Dette til tross for betydelige fremskritt innen datastøttet materialutvikling. Som et resultat må forskere og ingeniører stole på observasjoner.

Publisert i Nature introduserte den siste studien med tittelen «En duktil krom‑molybdenumlegering som er motstandsdyktig mot høytemperaturoksidasjon» det nye materialet: en enkeltfase Cr‑36.1Mo‑3Si legering.

Den refraktære metallbaserte legeringen «er duktil ved romtemperatur, smeltepunktet er så høyt som omtrent 2 000 grader Celsius, og – i motsetning til refraktære legeringer kjent hittil – oksiderer den kun sakte, selv i det kritiske temperaturområdet», sa Dr. Alexander Kauffmann, professor ved Ruhr‑universitetet i Bochum, som spilte en viktig rolle i denne oppdagelsen.

Bruken av Cr og Mo her løser problemene med refraktære metall‑elementer, som viser problemer med oksidasjon, noe som begrenser deres anvendelse. Mens Cr fører til dannelse av en beskyttende Cr2O3‑skala, gjør Mo områdene motstandsdyktige mot nitridering.

Si brukes som et mindre tredje element for å sikre langsom vekst av Cr2O3‑skalaen. Den lave mengden gjorde det mulig for forskerne å syntetisere enkeltfase, uordnede faste løsninger.

Med sine enestående egenskaper «nærer visjonen om å kunne lage komponenter som er egnet for driftstemperaturer betydelig høyere enn 1 100 grader Celsius. Dermed har resultatet av vår forskning potensial til å muliggjøre et reelt teknologisk sprang», sa Kauffmann.

Men selv om materialet oppfyller de viktigste kritiske kravene for refraktære materialer, må det for å brukes på industrielt nivå gjennomgå «mange andre utviklingssteg».

Likevel, «med vår oppdagelse i grunnleggende forskning har vi nådd en viktig milepæl. Forskningsgrupper over hele verden kan nå bygge på denne prestasjonen», sa Heilmaier.

Hvem leder materialkappløpet: USA, Europa, Kina, Tyrkia

Etter hvert som forskere fortsetter å bryte temperatur‑ og holdbarhetsbarrierene til tradisjonelle nikkelbaserte superlegeringer, tar lignende gjennombrudd form rundt om i verden.

Tidligere i år oppdaget et team ved Ames National (ATLO ) Laboratory oppdaget en ny legering som potensielt kan erstatte nikkel‑ og koboltbaserte superlegeringer, hvis varmetoleransgrenser forbedrer energieffektiviteten.

De vendte også naturlig til refraktære metaller fordi de er de eneste med smeltepunkter mye høyere enn de for nikkel og kobolt. Men selvfølgelig er det den komplekse saken med produksjon og forming av dem til deler.

Dermed bestemte forskerne seg for å kombinere refraktære metaller i multi‑prinsipal‑element‑legeringer, som ikke er basert på ett enkelt element, men på tre eller flere elementer, uten at noen overstiger 50 % av den totale sammensetningen.

Vi har kommet til å forstå at kombinasjonen av mange av disse ellers sprø rene elementene i betydelige mengder skaper atomstrukturer som har fremvoksende, unike egenskaper.

– Teamleder Nicholas Argibay, som er vitenskapsmann ved Ames Lab, et nasjonalt laboratorium under US Department of Energy Office of Science, drevet av Iowa State University.

Imidlertid betyr blanding av mer enn tre elementer sammen at «millioner av kombinasjoner må søkes gjennom», noe som er en tidkrevende prosess. Men takket være AI klarte de å spare tid og penger og «få det riktig» på første forsøk

Dermed, for å finne materialene og deres sammensetning, benyttet forskerne et beregningsrammeverk som ble utviklet av to Ames Lab‑vitenskapsmenn, Prashant Singh og Duane Johnson.

Vi satte sammen en teoristyrt metodikk som grensesnittet med eksperimenter. Den peker eksperimentelle forskere i riktig retning for nye legeringer med de spesifikke egenskapene de ønsker i disse materialene.

– Johnson

Denne nye legeringen viser større motstand mot deformasjon ved høyere temperaturer og nødvendige duktilitetsegenskaper for å bli produsert ved hjelp av kommersielt etablerte metoder.

Ames‑teamets tilnærming fremhever hvordan design kan akselerere oppdagelser som tidligere tok år med prøving og feiling. Byggende på dette samarbeidet mellom beregning og eksperimentering, kombinerte forskere ved MIT maskinlæring (ML) med metall‑3D‑printing for å designe en Al‑basert legering hvis trykte deler matcher styrken til bearbeidet 7075 – og etter 400 °C aldring er ~50 % sterkere enn den sterkeste trykkbare Al‑referansen.

For å lage dette nye metallet blandet teamet aluminium med andre elementer identifisert gjennom simuleringer og ML.

Forskerne håper å få deres nye trykkbare metall laget til sterkere, lettere og temperaturresistente produkter, som vifteblader i jetmotorer, som i dag lages med dyrere og tyngre titan.

«Hvis vi kan bruke lettere, høy‑styrkemateriale, vil dette spare en betydelig mengde energi for transportindustrien», sa studielederen Mohadeseh Taheri‑Mousavi, som nå er assisterende professor ved Carnegie Mellon University.

I tillegg til romfarts‑ og transportindustrien ser forskerne for seg at deres trykkbare legering kan brukes i kjøleenheter for datasentre og høy‑end biler. Arbeidet deres understreker hvordan additiv produksjon og AI‑drevet legeringsdesign møtes for å skape lettere, sterkere og mer termisk effektive materialer, egenskaper som er essensielle for fremtidig jet‑propulsjon og energisystemer.

I en annen del av verden har den tyrkiske romfarts motorprodusenten TEI rapportert at de har utviklet over 20 unike superlegeringer og titanlegeringer for bruk i jagerfly‑ og helikoptermotor‑teknologi.

«Krig blir nå vunnet i laboratorier og fabrikker. Teknologien du produserer bestemmer krigens skjebne.»

– TEI‑generaldirektør Mahmut Faruk Aksit

Med temperaturer inne i flymotorer som når ekstremt høye nivåer, «halvparten av solens overflatetemperatur», kreves metaller som kan operere i slik ekstrem varme. Dette gjør at «kjølesystemer, spesielle belegg og materialteknologier er kritisk viktige», la han til.

Et lignende momentum utvikler seg i Kina, hvor forskere for tiden arbeider med en ny superlegerings‑kjøleteknikk for å forbedre ytelsen og holdbarheten til høytemperatur‑turbinmotor‑komponenter, som kan muliggjøre avanserte jetmotorer.

Kinesiske forskere har også utviklet en ny teknikk for å produsere legerings‑turbinskjermer som kan tåle temperaturer opptil 15 % høyere enn eksisterende versjoner. Denne forbedrede varmebestandigheten forventes å gi større motor­tykkraft, bedre energieffektivitet og lengre levetid.

«Denne metoden innkapsler en kobber‑magnesium‑stål‑komposittstruktur inne i bladet ved bruk av termo‑mekaniske bearbeidingsteknikker», står i patentet for teknologien. «Dette gjør at bladet kan opprettholde langsiktig funksjonalitet under ekstreme høytemperaturforhold.»

Bruken av kobbers termiske ledningsevne og stålets varmebestandighet gjør kompositten egnet for fremtidige anvendelser i fly- og rakettmotor‑forbrenningskamre. Således arbeider forskere over hele verden med å forbedre ulike aspekter av jetmotorer, og bidrar til å revolusjonere luftfart og energiproduksjon.

Klikk her for å lære hvordan en forbedret nanokrystallinsk legering kan revolusjonere romfarts‑ og bilsektoren.

Investering i jetmotorutvikling

Luftfarts‑ og forsvarsselskapet Raytheon Technologies (RTX ), er en av de ledende globale investorene i avanserte materialer og fremdriftsinnovasjon gjennom sitt datterselskap Pratt & Whitney. Denne delen leverer flymotorer til militære, forretningsjet, kommersielle og generell luftfartskunder.

Den har to andre segmenter: Collins Aerospace leverer teknologisk avanserte luftfarts‑ og forsvarsprodukter samt ettermarkedstjenester, og Raytheon utvikler avanserte kapasiteter innen luft‑ og missilforsvar, smarte våpen og annet.

Selskapet finansierer jevnlig og samarbeider med akademiske og statlige forskningsinitiativ i jakten på høyere effektivitet og høyere temperaturmaterialer for neste generasjons jetmotorer. Det utforsker refraktære legeringer, keramiske matriks‑kompositter (CMCs) og additive produksjonsteknikker.

Med en markedsverdi på 239,5 milliarder dollar, handles RTX for tiden til 178,75 $, opp 54,38 % i år så langt. Bare forrige uke nådde RTX‑aksjene en rekordhøy (ATH) på 180,50 $. For bare to år siden ble selskapets aksjekurs handlet under 100 $.