Bagong Cr-Mo-Si Alloy Maaaring Muling Isulat ang Hangganan ng Init ng Jet Engine

Nakabuo ang mga mananaliksik ng isang bagong materyal na may kamangha-manghang mataas na resistensya sa temperatura, na nagpapakita ng malakas na potensyal para magamit sa mga jet engine.

Ang mga makapangyarihang teknolohiya tulad ng jet engine, gas turbine, industriyal na makinarya, at kagamitan sa X-ray ay nangangailangan ng mga materyales na kayang tiisin ang napakataas na temperatura. Ang mga refractory metal tulad ng tungsten (W), chromium (Cr), at molybdenum (Mo), na may napakataas na melting point na humigit-kumulang 2,000 degrees Celsius o higit pa at may pambihirang resistensya sa init, pagkapudpod, at pagbaluktot, ay perpekto para sa mga ganitong aplikasyon.

Gayunpaman, habang ang mga metal na ito ay nagpapakita ng kahanga-hangang thermal stability, nagiging napakabrittle nila sa room temperature. Ang mga metal na ito ay mabilis ding nag-o-oxidize kapag na-expose sa oxygen, na nagdudulot ng pagkasira ng materyal sa pagitan ng 600 at 700 degrees Celsius.

Bilang resulta, ang mga materyales na ito ay maaaring magamit nang epektibo lamang sa ilalim ng komplikadong vacuum conditions, tulad ng sa X-ray rotating anodes. Upang malampasan ang mga limitasyong ito, matagal nang umaasa ang mga inhinyero sa nickel-based superalloys para gumawa ng mga komponent na kailangang tiisin ang matinding init.

Nickel-Based Superalloys: Mga Kalakasan, Limitasyon, at Bakit Sila ay Naaabot na ang Hangganan

Ang superalloy ay isang high-performance alloy na kilala sa kanyang pambihirang mekanikal na katangian at resistensya sa matinding init at mataas na stress. Mayroon din silang magandang surface at phase stability, at mataas na resistensya sa oxidation at corrosion.

Ang mga alloy na ito ay unang binuo para sa mga aircraft turbine engine, ngunit kalaunan ay lumawak sa maraming iba pang mapanghamong aplikasyon, kabilang ang gas turbine, rocket engine, power generation, chemical processing, at petroleum plants.

Kadalasang batay ang mga ito sa nickel, bakal, o cobalt at maaaring mapanatili ang mekanikal na integridad sa mga temperatura kung saan nabibigo ang karamihan sa ibang alloy.

Ang Nickel (Ni) ay napakahalaga dito. Ang pilak-puting, makinang na transition metal ay kilala sa paggamit nito sa stainless steel alloys. Totoong may mahalagang papel ito sa density ng enerhiya at performance ng baterya, na nagbibigay-daan sa mas mahabang saklaw ng mga electric vehicle.

Ang mga katangian ng metal ay kritikal din para sa mga aerospace component, na nasasailalim sa pagbabago ng temperatura at halumigmig. Dahil sa resistensya sa oxidation at corrosion, pinahaba ng nickel alloys ang buhay ng mga component, kaya pinapabuti ang operational efficiency at kaligtasan.

Ang nickel-based superalloys ay talagang pinaka-malawak na ginagamit para sa pinakamainit na bahagi, na bumubuo ng higit sa 50% ng bigat ng mga advanced na aircraft engine, dahil sa kanilang natatanging resistensya laban sa creep at stress rupture sa mataas na temperatura.

Nagpapakita rin ang mga ito ng high-temperature strength, resistensya sa pagkapagod, magaan ngunit matibay, at magandang electrical conductivity.

Ang mga multi-component alloy na ito ay binubuo ng nickel at maaaring maglaman ng mga alloying element tulad ng aluminum (Al), chromium (Cr), cobalt (Co), titanium (Ti), at molybdenum (Mo) upang mapabuti ang kanilang mga katangian.

Gayunpaman, ang nickel-based superalloys ay may sariling limitasyon, kabilang ang mataas na gastos, kahirapan sa pag-machining dahil sa work hardening at mababang thermal conductivity, at pagiging madaling mag-crack sa panahon ng welding at additive manufacturing. Maaari rin silang mag-suffer sa oxidation at makaranas ng nabawasang mekanikal na katangian dahil sa pagbuo ng hindi kanais-nais na precipitates.

“Ang kasalukuyang mga superalloy ay gawa sa maraming iba’t ibang metal na elemento, kabilang ang mga bihirang magamit, kaya’t pinagsasama nila ang ilang katangian. Sila ay ductile sa room temperature, matatag sa mataas na temperatura, at resistensya sa oxidation.”

– Propesor Martin Heilmaier mula sa Institute for Applied Materials , Materials Science and Engineering ng KIT

Ngunit ang isyu ay ang kanilang operating temperatures, na siyang “ang mga temperatura kung saan sila maaaring magamit nang ligtas,” at umaabot ito hanggang 1,100 degrees Celsius. Idinagdag niya:

“Mababa ito upang magamit ang buong potensyal para sa mas mataas na kahusayan sa mga turbine o iba pang high-temperature na aplikasyon. Ang katotohanan ay ang kahusayan sa combustion processes ay tumataas kasabay ng temperatura.”

Upang alisin ang mga limitasyong ito, nagbigay ang German Research Foundation (DFG) ng pondo, at matagumpay na napaunlad¹ ng mga mananaliksik ang isang bagong alloy ng chromium (Cr), molybdenum (Mo), at silicon (Si).

I-click dito upang matuto tungkol sa hyperadaptor alloy na dinisenyo para sa matinding pangangailangan ng industriya.

Cr-Mo-Si Refractory Alloy: Duktibilidad sa Room-Temp + 1,100 °C Resistensya sa Oxidation

Habang ang mga kotse at trak ay mabilis na ine-electrify upang makamit ang sustainable transport at i-decarbonize ang sektor, ang mga combustion engine sa long-range na eroplano ay kakailanganin pa rin, kahit sa mga susunod na dekada.

Mag-swipe upang mag-scroll →

Ayon kay Heilmaier, ang mga eroplano na pinapagana ng kuryente ay “halos hindi magiging angkop para sa long-haul flights sa mga susunod na dekada. Kaya, ang makabuluhang pagbawas ng konsumo ng fuel ay magiging mahalagang isyu.”

Sa isang turbine, ang pagtaas ng temperatura ng 100 degrees Celsius lamang ay maaaring magpababa ng konsumo ng fuel ng halos 5%.

Kaya, isang paraan upang mapabuti ang kahusayan ng conversion ng enerhiya mula sa fossil o synthetic fuels ay ang pagtaas ng kanilang operating temperatures. Ngunit upang makamit ito, kailangang palitan ang single-crystalline nickel-based superalloys ng refractory materials sa pinakamainit na bahagi ng mga turbine, na may mas mataas na solidus temperature na lampas sa 2,000 °C.

Ang pagpapalit ng advanced Ni-based superalloys ng mga bagong metallic-intermetallic materials ay nahaharap sa dalawang pangunahing limitasyon. Kabilang dito ang kakulangan ng oxidation resistance at/o duktibilidad sa room temperature (RT).

Ang katotohanan ay ang duktibilidad at oxidation resistance ay hindi sapat na napapredict upang mapahintulutan ang targeted material design.

Sa kasalukuyan, walang tumpak na predictive simulation capabilities para sa alinman sa dalawang katangian. Ito ay sa kabila ng malaking pag-unlad sa computer-assisted development ng mga materyales. Bilang resulta, kailangang umasa ng mga siyentipiko at inhinyero sa mga obserbasyon.

Inilathala sa Nature, ang pinakabagong pag-aaral na pinamagatang ‘A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation’ ay nagpakilala ng bagong materyal: isang single-phase Cr-36.1Mo-3Si alloy.

Ayon kay Dr. Alexander Kauffmann, isang propesor sa Ruhr University Bochum na may malaking papel sa pagtuklas na ito, ang refractory metal-based alloy “ay ductile sa room temperature, ang melting point nito ay humigit-kumulang 2,000 degrees Celsius, at – hindi tulad ng mga refractory alloy na kilala hanggang ngayon – ito ay nag-oxidize nang mabagal, kahit sa kritikal na saklaw ng temperatura.”

Ang paggamit ng Cr at Mo dito ay tinutugunan ang mga problema ng refractory metal elements, na nagpapakita ng mga suliranin sa oxidation na naglilimita sa kanilang aplikasyon. Habang ang Cr ay nagdudulot ng pagbuo ng proteksiyon na Cr2O3 scale, ang Mo ay ginagawang resistensya ang mga rehiyon sa nitridation.

Ang Si ay ginagamit bilang minor na pangatlong elemento upang matiyak ang mabagal na paglago ng Cr2O3 scale. Ang maliit na dami nito ay nagbigay-daan sa mga mananaliksik na magsintetisa ng single-phase, disordered solid solutions.

Sa hindi matatawarang mga katangian nito, “pinapanday nito ang pangitain na makagawa ng mga component na angkop para sa operating temperatures na mas mataas nang malaki kaysa 1,100 degrees Celsius. Kaya, ang resulta ng aming pananaliksik ay may potensyal na magbigay ng tunay na teknolohikal na pagtalon,” sabi ni Kauffmann.

Ngunit habang natutugunan ng materyal ang pinakamahalagang kritikal na pangangailangan para sa refractory materials, upang magamit ito sa antas ng industriya, kailangan nitong dumaan sa “maraming iba pang hakbang sa pag-develop.”

Gayunpaman, “sa aming pagtuklas sa fundamental research, nakamit na namin ang isang mahalagang milestone. Ang mga research group sa buong mundo ay maaari na ngayong magpatuloy mula sa tagumpay na ito,” sabi ni Heilmaier.

Sino ang Nangunguna sa Labanan ng mga Materyales: U.S., Europa, Tsina, Turkey

Habang patuloy na binabali ng mga mananaliksik ang mga hangganan ng temperatura at tibay ng tradisyunal na nickel-based superalloys, ang mga katulad na breakthrough ay nagkakaroon ng anyo sa buong mundo.

Noong unang bahagi ng taong ito, isang koponan sa Ames National (ATLO ) Laboratory nakadiskubre ng isang bagong alloy upang potensyal na palitan ang nickel- at cobalt-based superalloys, na ang mga limitasyon sa heat tolerance ay nagpapabuti sa kahusayan ng enerhiya.

Natural nilang tinungo ang refractory metals dahil sila lamang ang may mga melting point na mas mataas kaysa sa nickel at cobalt. Ngunit siyempre, may komplikadong usapin ng paggawa at paghubog ng mga ito sa mga bahagi.

Kaya, nagpasya ang mga mananaliksik na pagsamahin ang refractory metals sa multi-principal-element alloys, na hindi nakabatay sa isang solong elemento kundi sa tatlo o higit pang elemento, na wala sa mga ito ang lumalagpas sa 50% ng kabuuang komposisyon.

“Nauunawaan na namin na ang pagsasama ng marami sa mga brittle na purong elemento sa makabuluhang dami ay lumilikha ng atomic structures na may emergent, natatanging mga katangian.”

– Team lead Nicholas Argibay, na isang siyentipiko sa Ames Lab, isang U.S. Department of Energy Office of Science National Laboratory na pinamamahalaan ng Iowa State University.

Gayunpaman, ang pagsasama ng higit sa tatlong elemento ay nangangahulugang “milyong kombinasyon ang kailangang hanapin,” na isang matagal na proseso. Ngunit salamat sa AI, nakapag-save sila ng oras at pera at “nakuha ito nang tama” sa unang subok.

Kaya, upang mahanap ang mga materyales at ang kanilang komposisyon, ginamit ng mga mananaliksik ang isang computational framework, na binuo ng dalawang siyentipiko ng Ames Lab, sina Prashant Singh at Duane Johnson.

“Nagtayo kami ng isang theory-guided methodology na nakikipag-ugnayan sa mga eksperimento. Ito ay nagtuturo sa mga experimentalist sa tamang direksyon para sa mga bagong alloy na may tiyak na mga katangian na nais nilang magkaroon sa mga materyales na iyon.”

– Johnson

Ang bagong alloy na ito ay nagpapakita ng mas mataas na resilience sa deformation sa mas mataas na temperatura at kinakailangang mga katangian ng duktibilidad upang magawa gamit ang komersyal na itinatag na mga pamamaraan.

Sa MIT, pinagsama ang machine learning (ML) sa metal 3D printing² upang magdisenyo ng Al-based alloy na ang mga printed part ay katumbas ng lakas ng wrought 7075—at pagkatapos ng 400 °C aging, ay ~50% na mas matibay kaysa sa pinakamalakas na printable Al benchmark.

Upang likhain ang bagong metal na ito, pinaghalo ng koponan ang aluminum sa iba pang elemento na natukoy sa pamamagitan ng simulations at ML.

Umaasa ang mga mananaliksik na gawing mas matibay, mas magaan, at temperature-resistant na mga produkto ang kanilang bagong printable metal, tulad ng fan blades sa jet engines, na karaniwang gawa sa mas mahal at mas mabigat na titanium.

“Kung magagamit natin ang mas magaan, mataas na lakas na materyal, makakatipid ito ng malaking halaga ng enerhiya para sa industriya ng transportasyon,” sabi ng pinuno ng pag-aaral na si Mohadeseh Taheri-Mousavi, na ngayon ay assistant professor sa Carnegie Mellon University.

Bukod sa aerospace at transport industry, nakikita ng mga mananaliksik na ang kanilang printable alloy ay maaaring magamit sa mga cooling device para sa data centers at high-end na sasakyan. Ang kanilang trabaho ay nagbigay-diin kung paano ang additive manufacturing at AI-driven alloy design ay nagsasanib upang lumikha ng mas magaan, mas matibay, at mas thermally efficient na mga materyales, na mahalaga para sa hinaharap na jet propulsion at energy systems.

Sa ibang bahagi ng mundo, ang Turkish aerospace motor manufacturer na TEI ay nag-ulat na nagde-develop ng mahigit 20 natatanging superalloys at titanium alloys para magamit sa teknolohiya ng motor ng fighter jet at helicopter.

“Ang mga digmaan ay ngayon nananalo sa mga laboratoryo at pabrika. Ang teknolohiyang iyong nililikha ay nagtatakda ng kapalaran ng digmaan.”

– TEI General Manager Mahmut Faruk Aksit

Sa mga temperatura sa loob ng mga aircraft engine na umaabot sa napakataas, halos “kalahati ng temperatura ng ibabaw ng araw,” nangangailangan ito ng mga metal na maaaring mag-operate sa ganitong matinding init. Ito ay nagdudulot na “ang mga cooling system, espesyal na coating, at teknolohiya ng materyales ay kritikal na mahalaga,” dagdag pa niya.

Katulad na momentum ang nagaganap sa China, kung saan ang mga mananaliksik ay kasalukuyang nagtatrabaho sa isang bagong superalloy cooling technique upang mapabuti ang performance at tibay ng mga high-temperature turbine engine component, na maaaring magpahintulot ng advanced jet engines.

Ang mga Chinese researcher ay nilikha din ang isang bagong technique upang gumawa ng alloy turbine blades na kayang tiisin ang temperatura na hanggang 15% mas mataas kaysa sa kasalukuyang bersyon. Ang pinahusay na heat resistance na ito ay inaasahang magbibigay ng mas malaking thrust ng engine, mas mahusay na energy efficiency, at mas mahabang buhay.

“Ang method na ito ay nag-iembed ng copper-magnesium-steel composite structure sa loob ng blade gamit ang thermo-mechanical processing techniques,” ayon sa patent para sa teknolohiya. “Ito ay nagbibigay-daan sa blade na mapanatili ang pangmatagalang functionality sa ilalim ng matinding high-temperature na kondisyon.”

Ang paggamit ng thermal conductivity ng copper at heat resistance ng steel ay ginagawang angkop ang composite para sa mga hinaharap na aplikasyon sa aircraft at rocket engine combustion chambers. Kaya, ito ang paraan kung paano ang mga siyentipiko sa buong mundo ay nagtatrabaho upang mapabuti ang iba’t ibang aspeto ng jet engine, na tumutulong sa pag-rebolusyon ng aviation at power generation.

I-click dito upang matuto kung paano ang isang enhanced nanocrystalline alloy ay maaaring mag-rebolusyon sa aerospace at auto sectors.

Pamumuhunan sa Pag-unlad ng Jet Engine

Ang aerospace at defense company, Raytheon Technologies (RTX ), ay isa sa mga nangungunang global investors sa advanced materials at propulsion innovation sa pamamagitan ng subsidiary nitong na Pratt & Whitney. Ang segment na ito ay nag-suply ng aircraft engines para sa military, business jet, commercial, at general aviation customers.

Mayroon itong dalawang iba pang segment: Collins Aerospace na nagbibigay ng teknolohikal na advanced na aerospace at defense products at aftermarket service solutions, at Raytheon na nagde-develop ng advanced capabilities sa air at missile defense, smart weapons, at iba pa.

Regular na nagpopondo at nakikipagtulungan ang kumpanya sa mga akademiko at gobyerno na pananaliksik na inisyatibo sa paghahangad ng mas mataas na kahusayan, mas mataas na temperatura na mga materyales para sa susunod na henerasyon ng jet engine. Sinasaliksik nito ang refractory alloys, ceramic matrix composites (CMCs), at additive manufacturing techniques.

Sa market cap na $239.5 bilyon, kasalukuyang nagte-trade ang RTX sa $178.75, tumaas ng 54.38% ngayong taon. Kamakailan lamang, umabot ang presyo ng RTX shares sa all-time high (ATH) na $180.50. Dalawang taon lamang ang nakalipas, ang presyo ng stock ng kumpanya ay nasa ilalim ng $100.