Ny Cr-Mo-Si-legering kan omdefiniera värmegränserna för jetmotorer

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

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

Dock blir dessa metaller mycket spröda vid rumstemperatur trots sin imponerande termiska stabilitet. De oxiderar också snabbt när de utsätts för syre, vilket leder till materialfel vid temperaturer mellan 600 och 700 grader Celsius.

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

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

En superlegering är en högpresterande legering känd för sina exceptionella mekaniska egenskaper och motstånd mot extrem värme och hög belastning. De har också god yta‑ och fasstabilitet, och hög oxidations‑ och korrosionsresistens.

Dessa legeringar utvecklades ursprungligen för flygplans turbintmotorer, men bara för att expandera till många andra krävande tillämpningar med tiden, inklusive gasturbiner, raketmotorer, kraftproduktion, kemisk bearbetning och petroleumanläggningar. 

De är främst baserade på nickel, järn eller kobolt och kan behålla mekanisk integritet vid temperaturer där de flesta andra legeringar skulle gå sönder.

Nickel (Ni) är av avgörande betydelse här. Den silvervita, glänsande övergångsmetallen är känd för sin användning i rostfria stållegeringar. Den spelar faktiskt en viktig roll i batteriers energitäthet och prestanda, vilket möjliggör längre räckvidd kapacitet i el-fordon. 

Metallens egenskaper är också kritiska för rymdkomponenter, som utsätts för temperaturvariationer och fuktighet. Genom att vara motståndskraftig mot oxidation och korrosion förlänger nickellegeringar komponenternas livslängd, således förbättrar driftsäkerhet och säkerhet.

Nickelbaserade superlegeringar är faktiskt mest använda för de hetaste delarna, utgör över 50 % av vikten i avancerade flygplansmotorer, tack vare deras enastående motstånd mot krypning och spänningsbrott vid hög temperatur.

De uppvisar också högtemperaturstyrka, trötthetsresistens, lätt hållbarhet och god elektrisk ledningsförmåga.

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

Nickelbaserade superlegeringar har sina egna begränsningar, dock, inklusive hög kostnad, svårigheter att bearbeta på grund av arbetsutjockning och låg värmeledningsförmåga, samt benägenhet för sprickbildning vid svetsning och additiv tillverkning. De kan också lida av oxidation och kan uppleva försämrade mekaniska egenskaper på grund av bildning av oönskade utfällningar.

“De befintliga superlegeringarna är gjorda av många olika metalliska element, inklusive sällan tillgängliga, så att de kombinerar flera egenskaper. De är duktila vid rumstemperatur, stabila vid höga temperaturer och motståndskraftiga mot oxidation.”

– Professor Martin Heilmaier från KITS Institut för tillämpade material, materialvetenskap och teknik

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

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

För att ta bort dessa begränsningar, har den tyska forskningsstiftelsen (DFG) tillhandahållit finansiering, och forskarna lyckades utveckla¹ en ny legering av krom (Cr), molybden (Mo) och kisel (Si).

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

Cr-Mo-Si-refraktär legering: Duktilitet vid rumstemperatur + 1 100 °C oxidationsresistens

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

Swipe to scroll →

Eldrivna flygplan, noterade Heilmaier, “kommer knappast att vara lämpliga för långdistansflygningar under de kommande decennierna. Därmed blir en betydande minskning av bränsleförbrukningen en avgörande fråga.”

I en turbin kan en ökning med bara 100 grader Celsius i temperatur minska bränsleförbrukningen med cirka 5 %.

Således är ett sätt att förbättra effektiviteten i energikonvertering från fossila eller syntetiska bränslen att öka deras driftstemperaturer. Men för att uppnå detta måste enkristallina nickelbaserade superlegeringar ersättas av refraktära material i de hetaste områdena av turbiner, vilka har mycket högre solidustemperaturer över 2 000 °C.

Ersättningen av avancerade Ni-baserade superlegeringar med nya metall‑intermetalliska material hindras dock av två huvudsakliga begränsningar. Detta inkluderar brist på oxidationsresistens och/eller duktilitet vid rumstemperatur (RT).

Problemet är att duktilitet och oxidationsresistens inte kan förutsägas tillräckligt för att möjliggöra riktad materialdesign.

För närvarande finns det inga exakta prediktiva simuleringsmöjligheter för någon av de två egenskaperna. Detta trots de betydande framsteg som gjorts inom datorstödd materialutveckling. Som ett resultat måste forskare och ingenjörer förlita sig på observationer.

Publicerad i Nature, den senaste studien med titeln ‘En duktil krom‑molybdenlegering som är resistent mot högtemperaturoxidation‘ introducerade det nya materialet: en enfas Cr-36.1Mo-3Si‑legering.

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

Användningen av Cr och Mo här adresserar problemen med refraktära metalliska element, som visar problem i oxidation, vilket begränsar deras tillämpning. Medan Cr leder till bildandet av ett skyddande Cr2O3‑skikt, gör Mo regionerna motståndskraftiga mot nitridation. 

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

Med sina oöverträffade egenskaper “när detta visionen om att kunna tillverka komponenter som är lämpliga för driftstemperaturer avsevärt högre än 1 100 grader Celsius. Således har resultatet av vår forskning potential att möjliggöra ett verkligt teknologiskt språng,” sade Kauffmann.

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

Ändå, “med vår upptäckt i grundforskning har vi nått en viktig milstolpe. Forskningsgrupper över hela världen kan nu bygga vidare på denna prestation,” sade Heilmaier.

Vem leder materialtävlingen: USA, Europa, Kina, Turkiet

När forskare fortsätter att bryta temperatur- och hållbarhets barriärer för traditionella nickelbaserade superlegeringar, sker liknande genombrott i form runt om i världen.

Tidigare i år upptäckte ett team vid Ames National (ATLO ) Laboratory upptäckte en ny legering för att möjligen ersätta nickel- och koboltbaserade superlegeringar, vars värmetålighetsgränser förbättring i energieffektivitet.

De vände sig också naturligt till refraktära metaller eftersom de är de enda med smältpunkter mycket högre än de för nickel och kobolt. Men naturligtvis finns den komplexa frågan om tillverkning och formning av dem till delar.

Så beslutade forskarna att kombinera refraktära metaller till multi‑princip‑elementlegeringar, vilka inte är baserade på ett enda element utan på tre eller fler element, där ingen överstiger 50 % av den totala sammansättningen.

“Vi har kommit att förstå att kombinationen av många av dessa annars spröda rena element i betydande mängder skapar atomstrukturer som har framväxande, unika egenskaper.”

– Teamledare Nicholas Argibay, som är forskare vid Ames Lab, ett nationellt laboratorium under USA:s energidepartement Office of Science, drivet av Iowa State University.

Dock innebär att blanda mer än tre element tillsammans “miljoner kombinationer att söka igenom”, 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 beräkningsramverk, som utvecklades av två Ames Lab-forskare, Prashant Singh och Duane Johnson.

“Vi satte ihop en teoristyrd metodik som integreras med experiment. Den pekar experimenterna i rätt riktning för nya legeringar med de specifika egenskaper de vill ha i dessa material.”

– Johnson

Denna nya legering uppvisar mer motståndskraft mot deformation vid högre temperaturer och den nödvändiga duktiliteten egenskaper för att tillverkas med kommersiellt etablerade metoder. 

Ames-teamens tillvägagångssätt belyser hur design kan påskynda upptäckter som tidigare tog år av försök och fel. På byggsten av detta samarbete mellan beräkning och experiment, forskare vid MIT sammanfogade maskininlärning (ML) med metall‑3D‑utskrift² designade en Al‑baserad legering vars utskrivna delar matchar styrkan hos smidd 7075 — och, efter åldrande vid 400 °C, är ~50 % starkare än det starkaste utskrivbara Al‑referensvärdet.

För att skapa detta nya metall blandade teamet aluminium med andra element identifierade genom simulationer och ML.

Forskarna hoppas få sin nya utskrivbara metall tillverkad till starkare, lättare, och temperaturresistenta produkter, såsom fläktblad i jetmotorer, vilka tillverkas med dyrare och tyngre titan.

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

Förutom rymd- och transport industrin, föreställer forskarna att deras utskrivbara legering ska vara användas i kylsystem för datacenter och högkvalitativa bilar. 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 jetframdrivning och energisystem.

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

“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 solens yttemperatur’, krävs metaller som kan fungera i sådan extrem värme. Detta gör att “kylsystem, speciella beläggningar och materialteknologier är kritiskt viktiga,” tillade han.

Liknande drivkraft utvecklas i Kina, där forskare för närvarande arbetar med en ny superlegeringskylning teknik för att förbättra prestanda och hållbarhet hos högtemperaturturbinmotor komponenter, vilka kan möjliggöra avancerade jetmotorer.

Kinesiska forskare har också skapat en ny teknik för att producera legerings turbinklingor som kan tåla temperaturer upp till 15 % högre än befintliga versioner. Detta förbättrade värmebeständighet förväntas leverera större motorkraft, bättre energieffektivitet och längre livslängd.

“Denna metod inbäddar en koppar‑magnesium‑stål‑kompositstruktur inuti bladet med hjälp av termomekaniska bearbetningstekniker,” står i patentet för tekniken. “Detta möjliggör att bladet behåller långsiktig funktionalitet under extrema högtemperaturförhållanden.”

Användningen av koppars värmeledningsförmåga och ståls värmebeständighet gör kompositen lämplig för framtida tillämpningar i flygplan och raketmotors förbränningskammare. Så, så här arbetar forskare runt om i världen med att förbättra olika aspekter av jetmotorer, vilket hjälper till att revolutionera flyg och kraftproduktion.

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

Investering i jetmotorsutveckling 

Luft- och försvarsföretag, Raytheon Technologies (RTX ), är en av de ledande globala investerarna i avancerade material och framdrivningsinnovation genom sitt dotterbolag Pratt & Whitney. Detta segment levererar flygplansmotorer till militära, affärsjet, kommersiella och allmänna flygkundar.

Det har två andra segment: Collins Aerospace tillhandahåller teknologiskt avancerade luft- och försvarsprodukter samt eftermarknadstjänster, och Raytheon utvecklar avancerade kapaciteter inom luft- och missilförsvar, smarta vapen och annat.

Företaget finansierar regelbundet och samarbetar med akademiska och statliga forskningsinitiativ i jakten på högre effektivitet, högre temperaturmaterial för nästa generations jetmotorer. Det utforskar refraktära legeringar, keramiska matrixkompositer (CMCs) och additiv tillverkningstekniker. 

Med ett börsvärde på 239,5 miljarder dollar handlas RTX för närvarande till $178,75, upp 54,38 % i år hittills. Förra veckan nådde RTX-aktier ett rekordhögt (ATH) på $180,50. För två år sedan handlades företagets aktiekurser under $100.