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 stå emot extremt höga temperaturer. Refraktära metaller som volfram (W), krom (Cr) och molybden (Mo), med extremt höga smältpunkter på omkring 2 000 °C eller högre samt exceptionellt motstånd mot värme, slitage och deformation, är idealiska för sådana tillämpningar.

Men även om dessa metaller visar imponerande termisk stabilitet blir de mycket spröda vid rumstemperatur. Metallerna oxiderar också snabbt när de utsätts för syre, vilket leder till materialfel vid temperaturer mellan 600 och 700 °C.

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 yt- och fasstabilitet, och hög oxidations- och korrosionsbeständighet.

Dessa legeringar utvecklades ursprungligen för flygplans turbintmotorer, för att sedan 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 central betydelse här. Den silvervita, glänsande övergångsmetallen är känd för sin användning i rostfria stållegeringar. Den spelar faktiskt en viktig roll för batteriers energitäthet och prestanda, vilket möjliggör längre räckvidd 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, vilket förbättrar driftsäkerhet och effektivitet.

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

De uppvisar också högtemperaturstyrka, trötthetsmotstånd, lättviktig 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 vid bearbetning på grund av arbetsupphärdning och låg värmeledningsförmåga, samt benägenhet för sprickbildning vid svetsning och additiv tillverkning. De kan också drabbas av oxidation och uppleva försämrade mekaniska egenskaper på grund av bildning av oönskade utfällningar.

“De befintliga superlegeringarna består 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, som är “de temperaturer där de kan användas säkert,” och de sträcker sig upp till 1 100 °C. Han tillade:

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

För att avlägsna dessa begränsningar, tillhandahöll Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finansiering, och forskarna lyckades utveckla¹ en ny legering av krom (Cr), molybden (Mo) och kisel (Si).

Click here to learn about the hyperadaptor alloy engineered for extreme industrial demands.

Cr‑Mo‑Si‑refraktär legering: Duktilitet vid rumstemperatur + 1 100 °C oxidationsmotstånd

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 årtiondena.

Swipe to scroll →

El‑drivna flygplan, noterade Heilmaier, “kommer knappast att vara lämpliga för långdistansflygningar de kommande årtiondena. Därför blir en betydande minskning av bränsleförbrukningen en vital fråga.”

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

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

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

Saken är att duktilitet och oxidationsmotstånd inte kan förutsägas tillräckligt för att möjliggöra målstyrd materialdesign. 

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

Publicerat i Nature, den senaste studien med titeln ‘En duktil krom‑molybdenlegering med högtemperaturoxidationsmotstånd‘ introducerade det nya materialet: en enfas Cr‑36.1Mo‑3Si‑legering.

Den refraktära metallbaserade legeringen “är duktil vid rumstemperatur, har en smältpunkt på omkring 2 000 °C, och – till skillnad från tidigare kända refraktära legeringar – oxiderar den endast långsamt, även i det kritiska temperaturintervallet,” sade Dr. Alexander Kauffmann, professor vid Ruhr‑universitetet Bochum, som spelade en huvudroll i upptäckten.

Användningen av Cr och Mo här adresserar problemen med refraktiva metallelement, som visar problem med oxidation, vilket begränsar deras tillämpning. Medan Cr leder till bildning av ett skyddande Cr₂O₃‑skal, gör Mo regionerna resistenta mot nitridation. 

Si används som ett mindre tredje element för att säkerställa långsam tillväxt av Cr₂O₃‑skalet. Dess låga mängd gjorde det möjligt för forskarna att syntetisera enfas, oordnade fastlösningar.

Med sina oöverträffade egenskaper, “när den visionen om att kunna tillverka komponenter som klarar driftstemperaturer avsevärt högre än 1 100 °C blir verklighet. Således har vår forskning potential att möjliggöra ett verkligt teknologiskt språng,” sade Kauffmann.

Men medan materialet uppfyller de viktigaste kritiska kraven för refraktära material, måste det för industriell användning gå igenom “många andra utvecklingssteg.”

Ändå, “med vårt grundläggande forskningsgenombrott har vi nått en viktig milstolpe. Forskningsgrupper världen över kan nu bygga vidare på denna prestation,” sade Heilmaier.

Vem leder materialtävlingen: USA, Europa, Kina, Turkiet

Allteftersom forskare fortsätter att bryta temperatur‑ och hållbarhets barriärer för traditionella nickelbaserade superlegeringar, tar liknande genombrott form över hela världen.

Tidigare i år upptäckte ett team vid Ames National Laboratory en ny legering som potentiellt kan ersätta nickel‑ och koboltbaserade superlegeringar, vars värmetålighetsgränser förbättrar energieffektiviteten.

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 forskarna bestämde sig för att kombinera refraktära metaller till multi‑principalelement‑legeringar, som inte är baserade på ett enda element utan på tre eller fler element, utan någon andel överstiger 50 % av den totala sammansättningen.

“Vi har insett att kombinationen av många av dessa annars spröda rena element i betydande mängder skapar atomstrukturer med emergenta, unika egenskaper.”

– Teamledare Nicholas Argibay, forskare vid Ames Lab, ett amerikanskt Department of Energy Office of Science National Laboratory som drivs av Iowa State University. 

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

För att hitta materialens sammansättning, använde forskarna en beräkningsram, som utvecklades av två Ames‑Lab‑forskare, Prashant Singh och Duane Johnson.

“Vi skapade en teoristyrd metodik som integreras med experiment. Den pekar forskarna 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 för att tillverkas med kommersiellt etablerade metoder. 

Ames‑teamets tillvägagångssätt visar hur design kan påskynda upptäckter som tidigare tog år av trial‑and‑error. Genom att bygga på detta samarbete mellan beräkning och experiment har forskare vid MIT sammanfört maskininlärning (ML) med metall‑3D‑skrivning² för att designa en Al‑baserad legering vars tryckta delar matchar styrkan hos smidd 7075—och, efter åldrande vid 400 °C, är ~50 % starkare än den starkaste utskrivbara Al‑referensen. 

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

Forskarna hoppas att deras nya utskrivbara metall ska bli starkare, lättare, och temperaturresistenta produkter, såsom fläktblad i jetmotorer, som tillverkas med dyrare och tyngre titan.

“Om vi kan använda ett lättare, högstyrkt material, skulle detta spara en betydande mängd energi för transportsektorn,” sade studieleadaren Mohadeseh Taheri‑Mousavi, numera lektor vid Carnegie Mellon University.

Förutom flyg‑ och transportindustrin ser forskarna sina utskrivbara legeringar användas i kylsystem för datacenter och högpresterande 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 flygmotorstillverkaren TEI rapporterat att de utvecklar över 20 unika superlegeringar och titanlegeringar för användning i stridsflygplan och helikoptersmotorer.

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

– TEI‑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  “kylsystem, speciella beläggningar och materialteknologier kritiskt viktiga,” tillade han.

Liknande momentum utvecklas i Kina, där forskare för närvarande arbetar med en ny superlegerings‑kylningsteknik för att förbättra prestanda och hållbarhet hos högtemperatur‑turbinomponenter, vilket kan möjliggöra avancerade jetmotorer.

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

“Denna metod inbäddar en koppar‑magnesium‑stål‑kompositstruktur i bladet med hjälp av termomekaniska bearbetningstekniker,” förklarar patentet för tekniken. “Det möjliggör att bladet behåller lång‑siktig funktionalitet under extrema högtemperaturförhållanden.”

Användningen av koppars värmeledningsförmåga och stålets värmebeständighet gör kompositen lämplig för framtida tillämpningar i flyg‑ och raketmotorsbrännkammare. Så, så arbetar forskare världen över med att förbättra olika aspekter av jetmotorer, vilket hjälper till att revolutionera flyg och kraftproduktion.

Click here to learn how an enhanced banocrystalline alloy could revolutionize the aerospace & auto sectors.

Investering i jetmotorteknik 

Aerospace‑ och försvarsföretaget, 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, affärs‑jet, kommersiella och allmänna flygkunder.

Det har två andra segment: Collins Aerospace tillhandahåller teknologiskt avancerade rymd‑ och försvarsprodukter samt eftermarknadslösningar, och Raytheon utvecklar avancerade kapaciteter inom luft‑ och missilsförsvar, smarta vapen och annat.

Företaget finansierar och samarbetar regelbundet med akademiska och statliga forskningsinitiativ för att eftersträva högre effektivitet och högre temperatur‑material för nästa generations jetmotorer. Det utforskar refraktära legeringar, keramiska matris‑kompositer (CMCs) och additiv tillverkningsteknik. 

Med ett börsvärde på 239,5 miljarder USD handlas RTX för närvarande till 178,75 USD, upp 54,38 % i år så långt. För bara en vecka sedan nådde RTX‑aktier ett historiskt toppvärde (ATH) på 180,50 USD. För två år sedan handlades företagets aktiekurs under 100 USD.

När det gäller företagets finanser rapporterade RTX en försäljning på 22,5 miljarder USD för tredje kvartalet 2025, en ökning med 12 % jämfört med föregående år. 

Pratt & Whitney‑segmentet redovisade en rörelseresultat på 751 miljoner USD, upp 35 % och 8,42 miljarder USD i justerad försäljning, upp 16 % jämfört med föregående år. Denna försäljningsökning drevs av en 23 % ökning i kommersiell eftermarknad, som påverkades av högre volym i både stora kommersiella motorer och Pratt Canada, en 15 % ökning i militär verksamhet på grund av F135‑programmet, samt en 5 % ökning i kommersiell OE som ett resultat av ökad volym av stora kommersiella motorer.

Samtidigt såg leverantören av avionik och andra flygsystem, Collins Aerospace, en intäktsökning med 8 % till 7,62 miljarder USD, driven av militära försäljningar, originalutrustning för nya jetplan och flygbolag som köper reparationer och fler delar. Raytheons intäkter steg med 10 % till 7,05 miljarder USD då efterfrågan på både deras luftförsvarssystem och marina program förblev stark.

Företagets GAAP‑EPS var 1,41 USD, och justerad EPS var 1,70 USD. Rörelsekapitalet för kvartalet var 4,6 miljarder USD, och fritt kassaflöde var 4 miljarder USD. Det rapporterade också en orderstock på 251 miljarder USD, varav 148 miljarder USD i kommersiell och 103 miljarder USD i försvar.

“Starkt genomförande under tredje kvartalet gjorde det möjligt för oss att leverera tvåsiffrig organisk försäljningstillväxt i alla tre segment och vårt sjätte på varandra följande kvartal med justerad segmentmarginalökning år‑över‑år,” sade VD Chris Calio. “Vi mottog även 37 miljarder USD i nya kontrakt under kvartalet, vilket speglar robust global efterfrågan på våra produkter och stödjer långsiktig tillväxt för RTX.”

RTX återbetalade 2,9 miljarder USD i skuld under tredje kvartalet och återförde 900 miljoner USD till aktieägarna.

Baserat på denna prestation och “fortsatt efterfråge‑styrka,” höjde företaget sin helårsprognos samtidigt som de noterade sitt engagemang för “att leverera på vår 251 miljarder USD‑orderstock och öka vår produktion för att stödja rampen i kritiska program, samtidigt som vi investerar i nästa generations produkter och tjänster som möter våra kunders behov.“

Senaste Raytheon Technologies (RTX) Aktienyheter och utvecklingar

Slutsats

Högtemperaturlegeringar spelar en avgörande roll inom materialvetenskap och energiteknik. Världens strävan efter effektivitet och hållbarhet innebär att vi behöver material som klarar extrema förhållanden, och efterfrågan på sådana ökar bara.

I årtionden har nickelbaserade superlegeringar varit standardvalet för turbiner och jetmotorer. Men de når sina gränser. Därför har den senaste upptäckten av en duktil, oxidationsresistent Cr‑Mo‑Si‑legering skapat stor entusiasm. Om forskarna kan utveckla och skala upp produktionen kan dessa nästa‑generations refraktära legeringar revolutionera rymdindustrin och låta jetmotorer arbeta vid temperaturer långt över vad som är möjligt idag. De potentiella tillämpningarna slutar inte där, utan kan öppna dörrar för energiproduktion, industriell uppvärmning och till och med rymdpropulsion.

Självklart är vägen från laboratorieupptäckt till kommersiell verklighet aldrig enkel. Forskare måste finjustera legeringens sammansättning, lösa tillverkningsutmaningar och utveckla sätt att producera den i stora mängder. Men även med dessa hinder framför sig öppnar detta genombrott upp lovande nya möjligheter för högtemperatur‑teknik.

Click here to learn all about investing in titanium.

Referenser

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). En duktil krom‑molybdenlegering med högtemperaturoxidationsmotstånd. Nature, 646, 331–337. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-8
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). Additivt tillverkbara högstyrka aluminiumlegeringar med korngrövsresistenta mikrostrukturer uppnådda via snabb solidifiering. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202509507