Yeni Cr-Mo-Si Alaşımı Jet Motoru Isı Sınırlarını Yeniden Yazabilir

Araştırmacılar, olağanüstü yüksek sıcaklık direncine sahip yeni bir malzeme geliştirdi ve bu malzemenin jet motorlarında kullanılma konusunda güçlü bir potansiyele sahip olduğunu gösterdi.

Jet motorları, gaz türbinleri, endüstriyel makineler ve X-ışını ekipmanları gibi güçlü teknolojiler, son derece yüksek sıcaklıklara dayanabilecek malzemeler gerektirir. Tungsten (W), krom (Cr) ve molibden (Mo) gibi erime noktaları yaklaşık 2.000 derece Celsius veya daha yüksek olan ve ısı, aşınma ve deformasyona karşı olağanüstü direnç gösteren refrakter metaller, bu tür uygulamalar için idealdir.

Ancak, bu metaller etkileyici termal stabilite gösterse de oda sıcaklığında çok kırılgan hale gelirler. Ayrıca, oksijene maruz kaldıklarında hızla oksitlenirler ve bu da 600‑700 derece Celsius arasındaki sıcaklıklarda malzeme arızasına yol açar.

Sonuç olarak, bu malzemeler yalnızca X-ışını dönen anotlar gibi karmaşık vakum koşulları altında etkili bir şekilde kullanılabilir. Bu sınırlamaları aşmak için mühendisler uzun süredir yüksek ısıya dayanması gereken bileşenleri üretmek amacıyla nikel bazlı süperalaşımlara güvenmektedir.

Nickel-Based Superalloys: Strengths, Limits, and Why They’re Maxing Out

Bir süperalaşım, olağanüstü mekanik özellikleri ve aşırı ısı ve yüksek streslere karşı direnciyle bilinen yüksek performanslı bir alaşımdır. Ayrıca iyi yüzey ve faz stabilitesine, yüksek oksidasyon ve korozyon direncine sahiptir.

Bu alaşımlar başlangıçta uçak türbin motorları için geliştirilmiş, zamanla gaz türbinleri, roket motorları, enerji üretimi, kimyasal işleme ve petrol tesisleri gibi birçok diğer zorlu uygulamaya genişlemiştir.

Temelde nikel, demir veya kobalt üzerine kurulu olup, çoğu diğer alaşımın başarısız olacağı sıcaklıklarda mekanik bütünlüğü koruyabilir.

Nikel (Ni) burada kilit öneme sahiptir. Gümüş beyazı, parlak geçiş metali, paslanmaz çelik alaşımlarında kullanımıyla bilinir. Ayrıca batarya enerji yoğunluğu ve performansında önemli bir rol oynar, elektrikli araçlarda daha uzun menzil yeteneklerini mümkün kılar.

Metalin özellikleri, sıcaklık değişimleri ve nemle karşı karşıya kalan uzay araçları bileşenleri için de kritiktir. Oksidasyon ve korozyona dayanıklı olması, nikel alaşımlarının bileşenlerin ömrünü uzatmasını ve böylece operasyonel verimlilik ve güvenliği artırmasını sağlar.

Nikel bazlı süperalaşımlar, en sıcak parçalar için en yaygın olarak kullanılmaktadır; gelişmiş uçak motorlarının ağırlığının %50’den fazlasını oluşturarak, yüksek sıcaklıklarda sürünme ve gerilme kırılmasına karşı olağanüstü dirençleri sayesinde tercih edilir.

Ayrıca yüksek sıcaklık dayanımı, yorulma direnci, hafif dayanıklılık ve iyi elektrik iletkenliği gösterirler.

Bu çok bileşenli alaşımlar nikel içerir ve özelliklerini artırmak için alüminyum (Al), krom (Cr), kobalt (Co), titanyum (Ti) ve molibden (Mo) gibi alaşım elementlerini içerebilir.

Nikel bazlı süperalaşımların da kendi sınırlamaları vardır; yüksek maliyet, iş sertleşmesi nedeniyle işlenmesinin zorluğu ve düşük termal iletkenlik, ayrıca kaynak ve katmanlı imalat sırasında çatlamaya eğilim. Ayrıca oksidasyona maruz kalabilir ve istenmeyen çökeltilerin oluşması nedeniyle mekanik özelliklerde bozulma yaşayabilir.

“Mevcut süperalaşımlar, nadiren bulunanlar da dahil olmak üzere birçok farklı metal elementinden yapılmıştır, bu sayede çeşitli özellikleri birleştirirler. Oda sıcaklığında sünek, yüksek sıcaklıklarda stabil ve oksidasyona dayanıklıdır.”

– Prof. Martin Heilmaier, KIT Uygulamalı Malzemeler, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Enstitüsü

Ancak sorun, onların çalışma sıcaklıklarıdır; bu, “güvenli bir şekilde kullanılabilecek sıcaklıklar” anlamına gelir ve 1.100 derece Celsius’a kadar çıkmaktadır. Kendisi ekledi:

“Bu, türbinlerde veya diğer yüksek sıcaklık uygulamalarında daha fazla verimliliğin tam potansiyelini kullanmak için çok düşük bir sıcaklıktır. Gerçek şu ki, yanma süreçlerindeki verimlilik sıcaklıkla artar.”

Bu sınırlamaları ortadan kaldırmak için, Alman Araştırma Vakfı (DFG) finansman sağladı ve araştırmacılar başarılı bir şekilde geliştirdi¹ krom (Cr), molibden (Mo) ve silikon (Si) içeren yeni bir alaşım.

Aşırı endüstriyel talepler için tasarlanmış hiperadaptör alaşımı hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Cr-Mo-Si Refractory Alloy: Room-Temp Ductility + 1,100 °C Oxidation Resistance

Arabalar ve kamyonlar sürdürülebilir ulaşım ve sektörün karbon ayak izini azaltmak için hızla elektrifikasyon geçirirken, uzun menzilli uçaklarda yanma motorları en azından önümüzdeki on yıllarda hâlâ gerekli olacak.

Kaydırarak kaydırın →

Elektrikli uçaklar, Heilmaier’ın belirttiği gibi, “önümüzdeki on yıllarda uzun mesafe uçuşlar için pek uygun olmayacak. Bu nedenle, yakıt tüketiminin önemli ölçüde azaltılması hayati bir konu olacaktır.”

Bir türbinde, sadece 100 derece Celsius sıcaklık artışı yakıt tüketimini yaklaşık %5 azaltabilir.

Dolayısıyla, fosil veya sentetik yakıtlardan enerji dönüşüm verimliliğini artırmanın bir yolu, çalışma sıcaklıklarını yükseltmektir. Ancak bunu başarmak için, tek kristalli nikel bazlı süperalaşımlar, türbinlerin en sıcak bölgelerinde 2.000 °C’nin üzerindeki çok daha yüksek solidus sıcaklıkları gösteren refrakter malzemelerle değiştirilmelidir.

İleri Ni bazlı süperalaşımların yeni metal‑intermetalik malzemelerle değiştirilmesi, iki temel sınırlama nedeniyle engellenmektedir. Bu, oksidasyon direncinin ve/veya oda sıcaklığında (RT) sünekliğin eksikliğini içerir.

Asıl mesele, süneklik ve oksidasyon direncinin hedef odaklı malzeme tasarımını mümkün kılacak kadar yeterince tahmin edilememesidir.

Şu anda, bu iki özellik için de kesin tahminsel simülasyon yetenekleri bulunmamaktadır. Bu, malzeme geliştirmede bilgisayar destekli ilerlemelere rağmen gerçekleşmiştir. Sonuç olarak, bilim insanları ve mühendisler gözlemlere dayanmak zorundadır.

Nature dergisinde yayınlanan, son çalışma başlığı ‘Yüksek sıcaklık oksidasyonuna dayanıklı sünek krom‑molibden alaşımı‘ yeni malzemeyi tanıttı: tek fazlı Cr-36.1Mo-3Si alaşımı.

Refrakter metal bazlı alaşım “oda sıcaklığında sünek, erime noktası yaklaşık 2.000 derece Celsius ve bugüne kadar bilinen refrakter alaşımların aksine kritik sıcaklık aralığında bile yavaş oksitleniyor” dedi, bu keşifte büyük rol oynayan Ruhr Üniversitesi Bochum’dan Prof. Dr. Alexander Kauffmann.

Burada Cr ve Mo kullanımı, refrakter metal elementlerinin oksidasyonda gösterdiği ve uygulamalarını sınırlayan sorunlarını ele alır. Cr, koruyucu bir Cr2O3 tabakası oluştururken, Mo bölgeleri nitridasyona karşı dirençli hâle getirir.

Si, Cr2O3 tabakasının yavaş büyümesini sağlamak için az miktarda üçüncü bir element olarak kullanılır. Düşük miktarı, araştırmacıların tek fazlı, düzensiz katı çözeltiler sentezlemesine olanak tanıdı.

Eşsiz özellikleriyle, “bu, 1.100 derece Celsius’tan çok daha yüksek çalışma sıcaklıklarına uygun bileşenler üretebilme vizyonunu besliyor. Bu nedenle, araştırmamızın sonucu gerçek bir teknolojik sıçrama potansiyeline sahip” dedi Kauffmann.

Ancak malzeme, refrakter malzemeler için en kritik gereksinimleri karşılasa da, endüstriyel ölçekte kullanılabilmesi için “birçok başka geliştirme aşamasından” geçmesi gerekir.

Yine de, “temel araştırmadaki keşfimiziyle önemli bir kilometre taşına ulaştık. Dünya çapındaki araştırma grupları artık bu başarı üzerine inşa edebilir” dedi Heilmaier.

Who’s Leading the Materials Race: U.S., Europe, China, Turkey

Araştırmacılar geleneksel nikel bazlı süperalaşımların sıcaklık ve dayanıklılık engellerini kırmaya devam ederken, benzer atılımlar dünya genelinde şekilleniyor.

Bu yılın başlarında, Ames Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir ekip, nikel ve kobalt bazlı süperalaşımları potansiyel olarak değiştirebilecek, ısı tolerans sınırları enerji verimliliğinde iyileşme sağlayan yeni bir alaşım keşfetti.

Ayrıca, erime noktaları nikel ve kobaltın çok üzerindeki tek metal oldukları için doğal olarak refrakter metallere yöneldiler. Ancak elbette, bu metalleri parçalara dönüştürme ve şekillendirme konusundaki karmaşık mesele de var.

Bu nedenle araştırmacılar, refrakter metalleri çok‑prensip‑elementli alaşımlara birleştirmeye karar verdiler; bu alaşımlar tek bir elemente değil, üç veya daha fazla elemente dayanır ve hiçbirinin toplam bileşimde %50’yi aşmaması gerekir.

“Bu, diğer türlü kırılgan saf elementlerin önemli miktarlarda birleştirilmesinin ortaya çıkan, benzersiz özelliklere sahip atomik yapılar oluşturduğunu anlamamıza yol açtı.”

– Takım lideri Nicholas Argibay, Iowa State University tarafından işletilen ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi Ulusal Laboratuvarı Ames Lab’da bilim insanı.

Bununla birlikte, üçten fazla elementi bir araya getirmek “aramak için milyonlarca kombinasyon” anlamına gelir ve bu zaman alıcı bir süreçtir. Ancak yapay zekâ sayesinde zaman ve para tasarrufu sağlayarak ilk denemede doğru sonucu elde ettiler.

Bu nedenle, malzemeleri ve bileşimlerini bulmak için araştırmacılar, iki Ames Lab bilim insanı Prashant Singh ve Duane Johnson tarafından geliştirilen bir hesaplamalı çerçeve kullandılar.

“Deneylerle etkileşen bir teori‑rehberli metodoloji oluşturduk. Bu, deneycileri istedikleri belirli özelliklere sahip yeni alaşımlar için doğru yönlendirmeye yönlendiriyor.”

– Johnson

Bu yeni alaşım, daha yüksek sıcaklıklarda deformasyona karşı daha fazla dayanıklılık ve ticari olarak yerleşik yöntemlerle üretilecek gerekli süneklik özellikleri sergilemektedir.

Ames ekibinin yaklaşımı, tasarımın yıllar süren deneme‑yanılma süreçlerini nasıl hızlandırabileceğini vurguluyor. Hesaplama ve deney arasındaki bu iş birliğine dayanarak, MIT araştırmacıları makine öğrenimini (ML) metal 3D baskıyla birleştirerek² 7075 alaşımının mukavemetine eşdeğer, 400 °C yaşlandırmadan sonra en güçlü baskı Al benchmark’ının ~%50 daha güçlü olan Al‑bazlı bir alaşım tasarladılar.

Bu yeni metali oluşturmak için ekip, simülasyonlar ve makine öğrenimi aracılığıyla belirlenen diğer elementlerle alüminyum karıştırdı.

Araştırmacılar, yeni baskı metalini daha güçlü, daha hafif ve sıcaklığa dayanıklı ürünlere, örneğin jet motorlarındaki fan kanatlarına dönüştürmeyi umuyorlar; bu kanatlar şu anda daha pahalı ve daha ağır titanyumla üretiliyor.

“Daha hafif, yüksek mukavemetli bir malzeme kullanabilirsek, bu ulaşım sektörü için önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlayacaktır,” dedi, şu anda Carnegie Mellon Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan çalışma lideri Mohadeseh Taheri-Mousavi.

Uzay ve taşıma endüstrisinin yanı sıra, araştırmacılar baskı alaşımlarını veri merkezleri için soğutma cihazlarında ve yüksek sınıf otomobillerde kullanmayı hayal ediyor. Çalışmaları, katmanlı imalat ve yapay zekâ destekli alaşım tasarımının daha hafif, daha güçlü ve daha termal verimli malzemeler yaratmak için bir araya geldiğini vurguluyor; bu özellikler gelecekteki jet itişi ve enerji sistemleri için hayati öneme sahiptir.

Dünyanın başka bir bölgesinde, Türk uzay motoru üreticisi TEI, savaş uçağı ve helikopter motor teknolojisinde kullanılmak üzere 20’den fazla benzersiz süperalaşım ve titanyum alaşımı geliştirdiğini bildirdi.

“Savaşlar artık laboratuvarlarda ve fabrikalarda kazanılıyor. Ürettiğiniz teknoloji, savaşın kaderini belirliyor.”

– TEI Genel Müdürü Mahmut Faruk Aksit

Uçak motorları içindeki sıcaklıklar son derece yüksek seviyelere, ‘güneş yüzeyinin yarısına’ ulaşırken, bu kadar aşırı ısıda çalışabilecek metaller gerektirir. Bu da “soğutma sistemleri, özel kaplamalar ve malzeme teknolojilerinin kritik öneme sahip” olduğunu ekledi.

Benzer bir ivme Çin’de de ortaya çıkıyor; araştırmacılar şu anda yüksek sıcaklık türbin motor bileşenlerinin performans ve dayanıklılığını artırmak için yeni bir süperalaşım soğutma teknikleri üzerinde çalışıyor, bu da gelişmiş jet motorlarını mümkün kılabilir.

Çinli araştırmacılar ayrıca mevcut versiyonların %15 daha yüksek sıcaklıklara dayanabilen alaşımlı türbin kanatları üretmek için yeni bir teknik yarattı. Bu artırılmış ısı direnci, daha yüksek motor itişi, daha iyi enerji verimliliği ve daha uzun ömür sağlaması bekleniyor.

“Bu yöntem, termomekanik işleme teknikleri kullanarak kanat içine bakır‑magnezyum‑çelik kompozit bir yapı yerleştirir,” diyor patent. “Bu, kanadın aşırı yüksek sıcaklık koşullarında uzun vadeli işlevselliğini korumasını sağlar.”

Bakırın termal iletkenliği ve çeliğin ısı direnci, kompoziti gelecekte uçak ve roket motoru yanma odalarında kullanılabilir kılıyor. İşte, dünya çapındaki bilim insanlarının jet motorlarının çeşitli yönlerini geliştirmek için nasıl çalıştıkları ve havacılık ile enerji üretimini devrim niteliğinde ilerlettikleri.

Geliştirilmiş nanokristalin alaşımının uzay ve otomotiv sektörlerini nasıl devrim yaratabileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Investing in Jet Engine Advancement 

Uzay ve savunma şirketi Raytheon Technologies (RTX ), gelişmiş malzemeler ve itiş inovasyonunda önde gelen küresel yatırımcılardan biridir; yan kuruluşu Pratt & Whitney aracılığıyla. Bu segment, askeri, iş jeti, ticari ve genel havacılık müşterilerine uçak motorları temin etmektedir.

İki başka segmenti vardır: Collins Aerospace, teknolojik olarak gelişmiş uzay ve savunma ürünleri ve yedek parça hizmet çözümleri sunar; Raytheon ise hava ve füze savunması, akıllı silahlar ve diğer alanlarda ileri yetenekler geliştirir.

Şirket, bir sonraki nesil jet motorları için daha yüksek verimlilik ve daha yüksek sıcaklıkta malzemeler peşinde akademik ve devlet araştırma girişimlerini düzenli olarak finanse eder ve iş birliği yapar. Refrakter alaşımları, seramik matris kompozitlerini (CMCs) ve katmanlı imalat tekniklerini araştırmaktadır.

239,5 milyar dolarlık piyasa değerine sahip RTX, şu anda 178,75 dolardan işlem görmekte ve bu yıl %54,38 artış kaydetmiştir. Geçen hafta, RTX hisseleri 180,50 dolar ile tüm zamanların en yüksek seviyesine (ATH) ulaştı. İki yıl önce ise şirketin hisse fiyatları 100 doların altındaydı.