Ny Cr-Mo-Si-legering kan omdefiniera jetmotorns värmebegränsningar

Forskare har utvecklat ett nytt material med anmärkningsvärt hög temperaturresistens, som visar stark potential för användning i jetmotorer.

Kraftfulla teknologier som jetmotorer, gasturbiner, industriell utrustning och röntgenutrustning kräver material som kan motstå extremt höga temperaturer. Refraktära metaller som wolfram (W), krom (Cr) och molybden (Mo), med extremt höga smältpunkter på cirka 2 000 grader Celsius eller högre och exceptionell resistens mot värme, nötning och deformation, är idealiska för sådana tillämpningar.

Men medan dessa metaller visar imponerande termisk stabilitet, blir de mycket sköra vid rumstemperatur. Dessa metaller oxiderar också snabbt när de utsätts för syre, vilket leder till materialegenskaper som misslyckas vid temperaturer mellan 600 och 700 grader Celsius.

Som ett resultat kan dessa material bara användas effektivt under komplexa vakuumförhållanden, såsom i röntgenroterande anoder. För att övervinna dessa begränsningar har ingenjörer länge förlitat sig på nickelbaserade superlegeringar för att bygga komponenter som måste motstå hög värme.

Nickelbaserade superlegeringar: Styrkor, begränsningar och varför de når sin maxgräns

En superlegering är en högpresterande legering som är känd för sina exceptionella mekaniska egenskaper och motståndskraft mot extrem värme och hög stress. De har också god yta och fasstabilitet, samt hög oxidation och korrosionsbeständighet.

Dessa legeringar utvecklades ursprungligen för flygplans turbinmotorer, men har sedan utvidgats till många andra krävande tillämpningar, inklusive gasturbiner, raketmotorer, kraftgenerering, kemisk bearbetning och petroleumanläggningar.

De baseras främst på nickel, järn eller kobolt och kan upprätthålla mekanisk integritet vid temperaturer där de flesta andra legeringar skulle misslyckas.

Nickel (Ni) är av stor betydelse här. Den silvervita, glänsande övergångsmetallen är känd för sin användning i rostfria stållegeringar. Den spelar också en viktig roll i batteriets energitäthet och prestanda, vilket möjliggör längre räckvidd i elbilar.

Metallens egenskaper är också avgörande för rymdkomponenter, som utsätts för temperaturvariationer och fukt. Eftersom nickel-legeringar är resistenta mot oxidation och korrosion, förlänger de livslängden på komponenterna, vilket förbättrar driftseffektiviteten och säkerheten.

Nickelbaserade superlegeringar används mest för de hetaste delarna, och utgör över 50 % av vikten av avancerade flygplansmotorer, tack vare deras utmärkta motståndskraft mot krypning och spänning vid höga temperaturer.

De visar också hög temperaturstyrka, motståndskraft mot trötthet, lättvikt och god elektrisk ledningsförmåga.

Dessa flerkomponentslegeringar består av nickel och kan innehålla legeringselement som aluminium (Al), krom (Cr), kobolt (Co), titan (Ti) och molybden (Mo) för att förbättra deras egenskaper.

Nickelbaserade superlegeringar har dock sina egna begränsningar, inklusive höga kostnader, svårigheter vid bearbetning på grund av arbetsförhårdning och låg termisk ledningsförmåga, samt känslighet för sprickbildning under svetsning och additiv tillverkning. De kan också lida av oxidation och uppleva försämrade mekaniska egenskaper på grund av bildandet av oönskade utfällningar.

“De befintliga superlegeringarna består av många olika metalliska element, inklusive sällsynta och dyra, så att de kombinerar flera egenskaper. De är duktila vid rumstemperatur, stabila vid höga temperaturer och resistenta mot oxidation.”

– Professor Martin Heilmaier från KIT:s institut för tillämpad materialvetenskap, materialvetenskap och ingenjörsvetenskap

Men problemet är deras driftstemperaturer, som är “temperaturerna som de kan användas säkert”, och de sträcker sig upp till 1 100 grader Celsius. Han tillade:

“Detta är för lågt för att utnyttja det fulla potentialen för högre effektivitet i turbiner eller andra högtemperaturtillämpningar. Faktum är att effektiviteten i förbränningsprocesser ökar med temperaturen.”

För att ta bort dessa begränsningar, tillhandahöll den tyska forskningsstiftelsen (DFG) finansiering, och forskarna utvecklade framgångsrikt en ny legering¹ av krom (Cr), molybden (Mo) och kisel (Si).

Klicka här för att lära dig om hyperadaptor-legeringen som utvecklats för extrema industriella krav.

Cr-Mo-Si Refraktär Legering: Rumstemperatur Duktilitet + 1 100 °C Oxidationsbeständighet

Medan bilar och lastbilar snabbt elektrifieras för att uppnå hållbar transport och avkolonisera sektorn, kommer förbränningsmotorer i långdistansflygplan fortfarande att behövas, åtminstone under de kommande årtiondena.

Swipe to scroll →

Elektricitetsdrivna flygplan, sa Heilmaier, “kommer knappast att vara lämpliga för långdistansflygningar under de närmaste årtiondena. Därför kommer en betydande minskning av bränsleförbrukningen att vara en livsviktig fråga.”

I en turbin kan en ökning av temperaturen med 100 grader Celsius minska bränsleförbrukningen med cirka 5 %.

Så, ett sätt att förbättra effektiviteten i energiomvandling från fossila eller syntetiska bränslen är att öka deras driftstemperaturer. Men för att uppnå det, måste enkristallina nickelbaserade superlegeringar ersättas med refraktära material i de hetaste områdena i turbiner, som visar mycket högre solidustemperaturer bortom 2 000 °C.

Ersättningen av avancerade Ni-baserade superlegeringar med nya metall-intermetalliska material hindras dock av två primära begränsningar. Dessa inkluderar en brist på oxidationsbeständighet och/eller duktilitet vid rumstemperatur (RT).

Saken är att duktilitet och oxidationsbeständighet inte kan förutsägas tillräckligt för att möjliggöra riktad materialdesign.

För närvarande finns det inga exakta prediktiva simuleringsförmågor för någon av de två egenskaperna. Detta trots den betydande framsteg som har gjorts i datorassisterad materialutveckling. Som ett resultat måste forskare och ingenjörer förlita sig på iakttagelser.

Publicerad i Nature, presenterade den senaste studien ‘en duktil krom-molybden-legering som är resistent mot högtemperaturoxidation.

Den refraktära metallbaserade legeringen “är duktil vid rumstemperatur, dess smältpunkt är så hög som cirka 2 000 grader Celsius, och – till skillnad från refraktära legeringar som är kända hittills – oxiderar den bara långsamt, även i det kritiska temperaturintervallet”, sa Dr. Alexander Kauffmann, en professor vid Ruhr-universitetet i Bochum, som spelade en viktig roll i denna upptäckt.

Användningen av Cr och Mo här adresserar problemen med refraktära metallelement, som visar problem med oxidation, som begränsar deras tillämpning. Medan Cr leder till bildandet av ett skyddande Cr2O3-skikt, gör Mo områdena resistenta mot nitridation.

Si används som ett tredje mindre element för att säkerställa långsam tillväxt av Cr2O3-skiktet. Dess låga mängd möjliggjorde för forskarna att syntetisera enfasiga, oordnade fasta lösningar.

Med dess unika egenskaper “närar detta visionen om att kunna tillverka komponenter som är lämpliga för driftstemperaturer som är betydligt högre än 1 100 grader Celsius. Således har resultaten av vår forskning potentialen att möjliggöra ett verkligt tekniskt språng”, sa Kauffmann.

Men medan materialet uppfyller de viktigaste kritiska kraven för refraktära material, måste det för att kunna användas på en industriell nivå gå igenom “många andra utvecklingssteg”.

Ändå, “med vår upptäckt inom grundforskning, har vi nått en viktig milstolpe. Forskningsgrupper över hela världen kan nu bygga vidare på detta resultat”, sa Heilmaier.

Vem leder materialracet: USA, Europa, Kina, Turkiet

Så länge forskare fortsätter att bryta temperatur- och hållbarhetsbarriärerna för traditionella nickelbaserade superlegeringar, sker liknande genombrott runt om i världen.

Tidigare i år upptäckte ett team på Ames National Laboratory en ny legering som kan ersätta nickel- och koboltbaserade superlegeringar, vars värmetolerans begränsar förbättringar av energieffektivitet.

De vände sig naturligt till refraktära metaller eftersom de är de enda som har smältpunkter som är betydligt högre än de för nickel och kobolt. Men det finns förstås den komplexa frågan om tillverkning och formning av dem till delar.

Så forskarna bestämde sig för att kombinera refraktära metaller till multi-huvud-elementslegeringar, som inte baseras på ett enda element utan på tre eller fler element, med inget som överstiger 50 % av den totala sammansättningen.

“Vi har kommit att förstå att kombinera många av dessa annars sköra renta element i betydande mängder skapar atomstrukturer som har emergenta, unika egenskaper.”

– Teamledare Nicholas Argibay, som är forskare på Ames Lab, ett amerikanskt energidepartement, Office of Science National Laboratory som drivs av Iowa State University.

Men att blanda mer än tre element tillsammans innebär “miljoner kombinationer att söka efter”, vilket är en tidskrävande process. Men tack vare AI kunde de spara tid och pengar och “få det rätt” på första försöket

Så för att hitta materialen och deras sammansättning, använde forskarna en datorbaserad ram, som utvecklats av två Ames Lab-forskare, Prashant Singh och Duane Johnson.

“Vi satte samman en teoriguidad metodik som gränssnitt med experiment. Den pekar experimentatörerna i rätt riktning för nya legeringar med de specifika egenskaperna som de vill ha i dessa material.”

– Johnson

Denna nya legering visar mer motståndskraft mot deformation vid högre temperaturer och de nödvändiga duktilitetsegenskaperna för att kunna tillverkas med kommersiellt etablerade metoder.

Ames-teamets tillvägagångssätt belyser hur design kan påskynda upptäckter som tidigare tog år av trial and error. Genom att bygga vidare på denna samverkan mellan beräkning och experiment, har forskare på MIT slagit samman maskinlärning (ML) med metall 3D-utskriftsdesign² för att designa en Al-baserad legering vars utskrivna delar matchar styrkan hos valsad 7075 – och efter 400 °C-åldring, är ~50 % starkare än den starkaste tryckbara Al-benchmarken.

För att skapa detta nya metallmaterial blandade teamet aluminium med andra element som identifierats genom simuleringar och ML.

Forskarna hoppas att deras nya tryckbara metall kan tillverkas till starkare, lättare och temperaturbeständiga produkter, såsom fläktblad i jetmotorer, som tillverkas med dyrare och tyngre titan.

“Om vi kan använda lättare, höghållfast material, skulle detta spara en betydande mängd energi för transportindustrin”, sa studieledaren Mohadeseh Taheri-Mousavi, som nu är biträdande professor vid Carnegie Mellon University.

Förutom flyg- och transportindustrin, ser forskarna sin tryckbara legering använd i kylenheter för datacenter och högpresterande fordon. Deras arbete betonar hur additiv tillverkning och AI-driven legeringsdesign möts för att skapa lättare, starkare och mer termiskt effektiva material, egenskaper som är avgörande för framtida jetdrift och energisystem.

I en annan del av världen har den turkiska flygmotortillverkaren TEI rapporterat att de har utvecklat över 20 unika superlegeringar och titanlegeringar för användning i stridsflyg- och helikoptermotorteknologi.

“Krig vinns nu i laboratorier och fabriker. Den teknik du producerar bestämmer krigets öde.”

– TEI:s generaldirektör Mahmut Faruk Aksit

Med temperaturer inuti flygplansmotorer som når extremt höga nivåer, “halva temperaturen på solens yta”, krävs metaller som kan fungera i sådan extrem värme. Detta gör “kylsystem, specialbeläggningar och materialteknik är kritiskt viktiga”, tillade han.

Liknande momentum utvecklas i Kina, där forskare för närvarande arbetar på en ny superlegeringskylteknik för att förbättra prestanda och livslängd hos högtemperaturturbin komponenter, vilket kan möjliggöra avancerade jetmotorer.

Kinesiska forskare har också skapat en ny teknik för att producera legeringsturbinblad som kan motstå temperaturer upp till 15 % högre än befintliga versioner. Denna förbättrade värmebeständighet väntas ge större motorstyrka, bättre energieffektivitet och längre livslängd.

“Denna metod inbäddar en koppar-magnesium-stålkompositstruktur i bladet med termomekaniska bearbetningstekniker”, anges i patentet för tekniken. “Detta möjliggör för bladet att upprätthålla långsiktig funktionalitet under extrema högtemperaturförhållanden.”

Användningen av koppar värmeledningsförmåga och ståls värmebeständighet gör kompositen lämplig för framtida tillämpningar i flygplans- och raketmotorer förbränningskammare. Så detta är hur forskare runt om i världen arbetar för att förbättra olika aspekter av jetmotorer, vilket hjälper till att revolutionera flyg och kraftgenerering.

Klicka här för att lära dig hur en förbättrad nanokristallin legering kan revolutionera rymd- och bilsektorerna.

Investering i jetmotorns utveckling

Rymd- och försvarsföretaget, Raytheon Technologies (RTX ), är en av de ledande globala investerarna i avancerade material och framdrivningsteknologi genom sin dotterbolag Pratt & Whitney. Denna sektor levererar flygmotorer för militära, affärsjet, kommersiella och allmänna flygplanskunder.

Det har två andra sektorer: Collins Aerospace erbjuder tekniskt avancerade rymd- och försvarsprodukter och eftermarknadstjänstlösningar, och Raytheon utvecklar avancerade förmågor inom luft- och robotförsvar, smarta vapen och andra.

Företaget finansierar regelbundet och samarbetar med akademiska och statliga forskningsinitiativ i syfte att högeffektivitets-, högtemperaturmaterial för nästa generations jetmotorer. Det undersöker refraktära legeringar, keramiska matris-kompositer (CMC) och additiv tillverkningstekniker.

Med en marknadsvärdering på 239,5 miljarder dollar, handlas RTX för närvarande för 178,75 dollar, upp 54,38 % i år hittills. Bara förra veckan nådde RTX-aktierna en all-time high (ATH) på 180,50 dollar. För bara två år sedan handlades företagets aktier under 100 dollar.