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, industrimaskiner 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 °C eller høyere og eksepsjonell motstand mot varme, slitasje og deformasjon, er ideelle for slike anvendelser.

Imidlertid blir disse metallene svært sprø ved romtemperatur, til tross for deres imponerende termiske stabilitet. De oksiderer også raskt når de utsettes for oksygen, noe som fører til materialsvikt ved temperaturer mellom 600 og 700 °C.

Som følge av dette kan disse materialene kun brukes effektivt under komplekse vakuumforhold, for eksempel i roterende røntgenanoder. For å overvinne disse begrensningene har ingeniører lenge vært avhengige av nikkelbaserte superlegeringer for å bygge komponenter som må tåle høy varme.

Nickelbaserte 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.

Nickel (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 motstandsdyktige mot oksidasjon og korrosjon forlenger nikkellegeringer levetiden til komponentene, og forbedrer dermed drifts‑effektivitet og sikkerhet.

Nickelbaserte superlegeringer brukes faktisk mest til 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.

Nickelbaserte superlegeringer har imidlertid sine egne begrensninger, inkludert høy kostnad, vanskelig bearbeiding 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 duktile ved romtemperatur, stabile ved høye temperaturer, og motstandsdyktige mot oksidasjon.

– Professor Martin Heilmaier fra KITs institutt for anvendt materialvitenskap, materialteknikk og ingeniørfag

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

Dette er for lavt til å utnytte det fulle potensialet for høyere 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 som er utviklet for ekstreme industrielle krav.

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

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

Swipe for å rulle →

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

I en turbine kan en økning på bare 100 °C 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 har mye høyere solidus‑temperaturer over 2 000 °C.

Erstatning av avanserte Ni‑baserte superlegeringer med nye metall‑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‑molybden‑legering 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 °C, og – i motsetning til refraktære legeringer kjent hittil – den oksiderer kun sakte, selv i det kritiske temperaturområdet», sa Dr. Alexander Kauffmann, professor ved Ruhr‑universitetet i Bochum, som spilte en sentral rolle i denne oppdagelsen.

Bruken av Cr og Mo her løser problemene med refraktære metall‑elementer, som viser utfordringer med oksidasjon som begrenser deres anvendelse.

Mens Cr fører til dannelse av en beskyttende Cr₂O₃‑skala, gjør Mo områdene motstandsdyktige mot nitridasjon.

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 °C. 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 industriell bruk gjennomgå «mange andre utviklingssteg.»

Likevel, «med vår oppdagelse i grunnforskning 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 Laboratory en ny legering som potensielt kan erstatte nikkel‑ og koboltbaserte superlegeringer, hvis varmebestandighetsgrenser forbedrer energieffektiviteten.

De vendte også naturlig til refraktære metaller fordi de er de eneste med smeltepunkter langt høyere enn de for nikkel og kobolt. Men selvfølgelig er det den komplekse problematikken 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 samlede sammensetningen.

Vi har kommet til å forstå at kombinasjonen av mange av disse ellers sprø rene elementene i betydelige mengder skaper atomstrukturer med 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 kunne produseres med kommersielt etablerte metoder.

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

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

Forskerne håper å få deres nye utskrivbare metall omgjort til sterkere, lettere og temperaturbestandige produkter, som vifteblader i jetmotorer, som i dag lages av dyrere og tyngre titan.

«Hvis vi kan bruke lettere, høy‑styrke‑materiale, vil dette spare en betydelig mengde energi for transportsektoren», sa studielederen Mohadeseh Taheri‑Mousavi, som nå er førsteamanuensis ved Carnegie Mellon University.

I tillegg til luftfarts- og transportindustrien ser forskerne for seg at deres utskrivbare 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 kampfly‑ og helikoptermotorteknologi.

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

– TEI‑administrerende direktør 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 «kjølesystemer, spesielle belegg og materialteknologier 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‑turbinemotor‑komponenter, noe som kan muliggjøre avanserte jetmotorer.

Kinesiske forskere har også utviklet en ny teknikk for å produsere legerings‑turbinspirer 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 integrerer en kobber‑magnesium‑stål‑komposittstruktur inne i spiralen ved bruk av termo‑mekaniske bearbeidingsteknikker», står i patentet for teknologien. «Dette gjør at spiralen kan opprettholde langsiktig funksjonalitet under ekstreme høytemperaturforhold.»

Utnyttelsen av kobbers termiske ledningsevne og stålets varmebestandighet gjør komposittmaterialet 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 nanokristallinsk legering kan revolusjonere luftfarts‑ og bilsektoren.

Investering i jetmotorutvikling 

Aerospace and defense company, Raytheon Technologies (RTX ), is one of the leading global investors in advanced materials and propulsion innovation through its subsidiary Pratt & Whitney. This segment supplies aircraft engines for military, business jet, commercial, and general aviation customers.

It has two other segments: Collins Aerospace provides technologically advanced aerospace and defense products and aftermarket service solutions, and Raytheon develops advanced capabilities in air and missile defense, smart weapons, and others.

The company regularly funds and collaborates with academic and government research initiatives in pursuit of higher-efficiency, higher-temperature materials for next-generation jet engines. It is exploring refractory alloys, ceramic matrix composites (CMCs), and additive manufacturing techniques. 

With a market cap of $239.5 billion, RTX is currently trading at $178.75, up 54.38% this year so far. Just last week, RTX shares hit an all-time high (ATH) of $180.50. Just two years ago, the company’s stock prices were trading under $100.

It has an EPS (TTM) of 4.87 and a P/E (TTM) of 36.68. The dividend yield offered to shareholders is 1.52%.

When it comes to the company’s financials, RTX reported sales of $22.5 billion for the third quarter of 2025, an increase of 12% from the prior year.

Pratt & Whitney segment posted an operating profit of $751 million, up 35% and $8.42 billion in adjusted sales, up 16% versus the prior year. This growth in sales was led by a 23% increase in commercial aftermarket, which was driven by higher volume in both large commercial engines and Pratt Canada, a 15% jump in military was due to the F135 program, and a 5% increase in commercial OE as a result of increased large commercial engines volume.

Meanwhile, its avionics and other aircraft systems supplier Collins Aerospace saw revenue increase by 8% to $7.62 billion, with growth coming from military sales, original equipment for new jets, and airlines purchasing repairs and more parts. Raytheon’s revenue jumped 10% to $7.05 billion as demand for both its air defense systems and naval programs remained strong.

The company’s GAAP EPS was $1.41, and adjusted EPS was $1.70. Operating cash flow for the quarter was $4.6 billion, and free cash flow was $4 billion. It also reported a backlog of $251 billion, which included $148 billion in commercial and $103 billion in defense.

“Strong execution in the third quarter enabled us to deliver double-digit organic sales growth across all three segments and our sixth consecutive quarter of year-over-year adjusted segment margin expansion,” said CEO Chris Calio. “We also received $37 billion of new awards in the quarter, reflecting robust global demand for our products and supporting long-term growth for RTX.”

RTX paid down $2.9 billion of debt in the third quarter and returned $900 million to shareholders.

Based on this performance and “ongoing demand strength,” the company raised its full-year outlook while noting its commitment to “executing on our $251 billion backlog and increasing our output to support the ramp across critical programs, while investing in next-generation products and services that meet the needs of our customers.”

Siste Raytheon Technologies (RTX) aksjenyheter og utviklinger

Konklusjon

Høytemperaturlegeringer spiller en avgjørende rolle i materialvitenskap og energiteknologi. Verdens satsing på effektivitet og bærekraft betyr at vi trenger materialer som kan håndtere ekstreme forhold, og dette behovet øker kun.

I flere tiår har nikkelbaserte superlegeringer vært standardvalget for turbine‑ og jetmotor‑deler. Men de når nå sine grenser. Derfor skaper den nylige oppdagelsen av en duktil, oksidasjonsbestandig Cr‑Mo‑Si‑legering stor begeistring. Hvis forskerne kan utvikle og skalere opp produksjonen, kan disse neste generasjons refraktære legeringene revolusjonere luftfart, slik at jetmotorer kan operere ved temperaturer langt utover det som er mulig i dag. De potensielle anvendelsene stopper ikke der; dette kan åpne dører til energiproduksjon, industriell oppvarming og til og med romfarts‑propulsjon.

Selvfølgelig er overgangen fra laboratorieoppdagelse til kommersiell virkelighet aldri enkel. Forskere må finjustere legeringens sammensetning, løse produksjonsutfordringer og utvikle metoder for å produsere den i store mengder. Men selv med disse hindringene foran, åpner dette gjennombruddet opp lovende nye muligheter for høytemperatur‑ingeniørkunst.

Klikk her for å lære alt om investering i titan.

Referanser

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://www.securities.io/enhanced-nanocrystalline-alloy-could-revolutionize-aerospace-auto/
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://www.securities.io/nyse/rtx/