Матеріалознавство
Новий сплав Cr-Mo-Si може змінити межі нагрівання реактивного двигуна
Securities.io дотримується суворих редакційних стандартів і може отримувати винагороду за перевірені посилання. Ми не є зареєстрованим інвестиційним консультантом, і це не є інвестиційною порадою. Будь ласка, перегляньте наші розкриття партнерів.
Дослідники розробили новий матеріал із надзвичайно високою термостійкістю, що демонструє великий потенціал для використання в реактивних двигунах.
Потужні технології, такі як реактивні двигуни, газові турбіни, промислове обладнання та рентгенівське обладнання, вимагають матеріалів, які можуть витримувати надзвичайно високі температури. Тугоплавкі метали, такі як вольфрам (W), хром (Cr) та молібден (Mo), з надзвичайно високими температурами плавлення близько 2,000 градусів Цельсія або вище та винятковою стійкістю до нагрівання, зносу та деформації, ідеально підходять для таких застосувань.
Однак, хоча ці метали демонструють вражаючу термостабільність, вони стають дуже крихкими за кімнатної температури. Ці метали також швидко окислюються під впливом кисню, що призводить до руйнування матеріалу за температур від 600 до 700 градусів Цельсія.
В результаті, ці матеріали можна ефективно використовувати лише в складних вакуумних умовах, таких як рентгенівські обертові аноди. Щоб подолати ці обмеження, інженери вже давно покладаються на надсплави на основі нікелю для створення компонентів, які повинні витримувати високі температури.
Суперсплави на основі нікелю: сильні сторони, обмеження та причини їхнього максимального використання
Суперсплав – це високоефективний сплав відомий своїми винятковими механічними властивостями та стійкістю до екстремальних умов нагрівання та високих напружень. Вони також мають добру поверхневу та фазову стабільність, та висока стійкість до окислення та корозії.
Ці сплави спочатку були розроблені для авіаційних турбінних двигунів, лише розширюватися для багатьох інших вимогливих застосувань через деякий час, включаючи газові турбіни, ракетні двигуни, виробництво електроенергії, хімічну переробку та нафтові заводи.
Вони в основному базуються на нікелі, залізі або кобальті та можуть зберігати механічну цілісність за температур, де більшість інших сплавів руйнуються.
Нікель (Ni) має тут ключове значення. Сріблясто-білий, блискучий перехідний метал є відомий своїм використанням у сплавах нержавіючої сталі. Насправді це відіграє важливу роль у щільності енергії та продуктивності акумулятора, забезпечуючи більший запас ходу. можливості в електричний транспортні засоби.
Властивості металу також критично важливі для аерокосмічних компонентів, які виставлені до перепадів температури та вологості. Бути стійким до окислення та корозії, нікелеві сплави подовжують термін служби компонентів, таким чином підвищення операційної ефективності та безпеки.
Суперсплави на основі нікелю - це насправді найчастіше використовується для найгарячіших частин, складання понад 50% ваги сучасних авіаційних двигунів завдяки їхній винятковій стійкості проти повзучість та розрив напружень при високих температура.
Вони також демонструють міцність при високих температурах, стійкість до втоми, легка міцність та добра електропровідність.
Ці багатокомпонентні сплави складаються з нікелю та можуть містити легуючі елементи, такі як алюміній (Al), хром (Cr), кобальт (Co), титан (Ti) та молібден (Mo), для покращення їхніх властивостей.
Суперсплави на основі нікелю мають свої обмеження, хоча, включаючи високу вартість, складність механічної обробки через зміцнення та низька теплопровідність та схильність до розтріскування під час зварювання та адитивного виробництва. Вони також можуть страждати від окислення та може випробувати погіршення механічних властивостей через утворення небажаних осадів.
«Існуючі суперсплави виготовляються з багатьох різних металевих елементів, включаючи рідкодоступні, завдяки чому вони поєднують кілька властивостей. Вони пластичні за кімнатної температури, стабільні за високих температур і стійкі до окислення».
– Професор Мартін Гайлмайєр з Інституту прикладних матеріалів, матеріалознавства та інженерії KIT
Але проблема полягає в їхніх робочих температурах, які є «температурами, за яких їх можна використовувати безпечно», і вони досягають 1,100 градусів Цельсія. Він додав:
«Цього занадто мало, щоб використати весь потенціал для підвищення ефективності турбін або інших високотемпературних застосувань. Справа в тому, що ефективність процесів горіння зростає з температурою».
До видаляти ці обмеження, Німецький дослідницький фонд (DFG) надав фінансування, і дослідники успішно розвиненою1 новий сплав хрому (Cr), молібдену (Mo) та кремнію (Si).
Вогнетривкий сплав Cr-Mo-Si: пластичність за кімнатної температури + стійкість до окислення при 1,100 °C
Хоча легкові та вантажні автомобілі швидко електрифікуються для досягнення сталого розвитку транспорту та декарбонізації сектору, двигуни внутрішнього згоряння в далекомагістральних літаках все ще будуть потрібні, принаймні в найближчому майбутньому. десятиліття.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →
| властивість | Суперсплави на основі нікелю | Cr-36.1Mo-3Si (новий) | Чому це має значення |
|---|---|---|---|
| Максимальна безпечна температура металу (приблизно) | ~1,050–1,100 °C з охолодженням/уточненням | Стійкий до окислення до 1,100 °C | Вищі допустимі температури → підвищення ефективності |
| Пластичність при кімнатній температурі | добре | **Теперішній** (пластичність при стисканні) | Технологічність та стійкість до пошкоджень |
| Окислення в діапазоні 600–700 °C | Керується покриттями/охолодженням | Повільний ріст луски; пригнічення шкідників | Подовжує термін служби в критичних режимах |
| Плавлення/солідус | Нижче, ніж у тугоплавких сплавів | Клас ~2,000 °C | Запас для майбутніх циклів |
| Вартість/складність | Високий; багато елементів | Менше елементів; потрібні нові ланцюги поставок | Питання масштабованості для галузі |
Літаки на електриці, зазначив Гайльмайєр, «навряд чи будуть придатними для далекомагістральних перельотів у найближчі десятиліття. Таким чином, значне скорочення споживання палива буде життєво важливим питанням».
У турбіні підвищення температури всього на 100 градусів Цельсія може зменшити витрату палива приблизно на 5%.
Отже, одним із способів підвищення ефективності перетворення енергії з викопного або синтетичного палива є підвищення їх робочих температур. Але для досягнення цього необхідно замінити монокристалічні суперсплави на основі нікелю вогнетривкими матеріалами в найгарячіших зонах турбін, які демонструють набагато вищі температури солідусу, понад 2,000 °C.
Однак заміна передових надсплавів на основі нікелю новими метало-інтерметалевими матеріалами гальмується двома основними обмеженнями. Цей включає відсутність стійкості до окислення та/або пластичність за кімнатної температури (КТ).
Річ у тому, що пластичність та стійкість до окислення не можуть бути достатньо передбачувані, щоб дозволити цілеспрямований дизайн матеріалів.
Наразі немає точних можливостей прогнозного моделювання ні для одного з них. з двох властивостей. Цей незважаючи на значний прогрес, досягнутий у комп'ютерна розробка матеріалів. Як наслідок, вчені та інженери повинні покладатися на спостереженнях.
Опубліковане в журналі Nature останнє дослідження під назвою «Пластичний хромо-молібденовий сплав, стійкий до окислення за високих температурпредставив новий матеріал: однофазний сплав Cr-36.1Mo-3Si.
«Сплав на основі тугоплавких металів є пластичним за кімнатної температури, його температура плавлення сягає близько 2,000 градусів Цельсія, і – на відміну від відомих на сьогодні тугоплавких сплавів – він окислюється лише повільно, навіть у критичному діапазоні температур», – сказав доктор Александер Кауфманн, професор Рурського університету в Бохумі, який відіграв важливу роль у цьому відкритті.
Використання Cr та Mo тут вирішує проблеми of вогнетривкий металеві елементи, показуючи проблеми в окислення, що обмежує їх застосування. У той час як Cr призводить до утворення захисного шару Cr2O3, Mo робить ці ділянки стійкими до нітридування.
Si використовується як елемент малої третини для забезпечення повільне зростання окалини Cr2O3. Її низька кількість дозволила дослідникам синтезувати однофазні, невпорядковані тверді розчини.
«Завдяки своїм неперевершеним властивостям, це підживлює бачення можливості створювати компоненти, придатні для робочих температур значно вищих за 1,100 градусів Цельсія. Таким чином, результат нашого дослідження має потенціал для справжнього технологічного стрибка», – сказав Кауфманн.
Але хоча матеріал відповідає найважливішим критичним вимогам до вогнетривких матеріалів, для того, щоб бути використаним на промисловому рівні він має пройти «багато інших етапів розвитку».
Однак, «з нашим відкриттям у фундаментальних дослідженнях ми досягли важливої віхи. Дослідницькі групи по всьому світу тепер можуть спиратися на це досягнення», – сказав Гайльмайєр.
Хто лідирує в перегонах матеріалів: США, Європа, Китай, Туреччина
Оскільки дослідники продовжують перерву температура та довговічність бар'єри традиційні надсплави на основі нікелю, подібні прориви набуває форми по всьому світу.
Раніше цього року команда з Національної лабораторії Еймса відкритий новий сплав до потенційно замінити надсплави на основі нікелю та кобальту, межі термостійкості яких поліпшення в енергоефективності.
Вони також природно звернулися до тугоплавких металів, оскільки вони єдині мають температури плавлення набагато вищі, ніж у нікель і кобальт. Але, звичайно, є складне питання виробництва та формування їх у деталі.
Отже, дослідники вирішили об'єднати тугоплавкі метали в сплави з кількома основними елементами, які не базуються на одному елементі, але на трьох або більше елементах, жоден з яких не перевищує 50% від загального складу.
«Ми дійшли розуміння, що поєднання багатьох із цих інакше крихких чистих елементів у значних кількостях створює атомні структури, які мають унікальні властивості, що виникають».
– Керівник групи Ніколас Аргібей, науковець з лабораторії Еймса, Національної лабораторії Управління науки Міністерства енергетики США, що управляється Університетом штату Айова.
Однак, змішування більше трьох елементів разом означає «мільйони комбінацій для пошуку», що є трудомістким процесом. Але завдяки штучному інтелекту їм вдалося заощадити час і гроші та «зробити все правильно» з першого разу.
Отже, знайти матеріали та їх склад, дослідники використовувати обчислювальна основа, Яка було розвиненою двома вченими з лабораторії Еймса, Прашантом Сінгхом та Дуеном Джонсоном.
«Ми розробили теоретично орієнтовану методологію, яка взаємодіє з експериментами. Вона вказує експериментаторам правильний напрямок для нових сплавів зі специфічними властивостями, які вони хочуть мати в цих матеріалах».
– Джонсон
Цей новий сплав демонструє більше стійкості до деформації за вищих температур та необхідної пластичності властивості до бути виготовлений використовуючи комерційно встановлені методи.
The Ames team’s approach highlights how design can accelerate discoveries that once took years of trial and error. Building on this collaboration between computation and experimentation, researchers at MIT об'єднане машинне навчання (ML) з 3D-друком металу2 розробити сплав на основі Al, друковані деталі якого відповідають міцності кованого 7075, а після старіння при 400 °C є приблизно на 50% міцнішими за найміцніший друкований Al-еталон.
Щоб створити цей новий метал, команда змішала алюміній з іншими елементами, визначеними за допомогою симуляції та машинне навчання.
Дослідники сподіваються отримати свій новий метал, придатний для друку зробив у сильніше, легший, та термостійкі вироби, такі як лопаті вентилятора in реактивні двигуни, які зроблені з дорожче та важчий титан.
«Якщо ми зможемо використовувати легший, високоміцний матеріал, це заощадить значну кількість енергії для транспортної галузі», – сказав керівник дослідження Мохадесе Тахері-Мусаві, який зараз є доцентом Університету Карнегі-Меллона.
Крім аерокосмічна галузь та транспорт промисловість, дослідники уявляють собі свій друкований сплав до be використовуваний у пристроях охолодження для центрів обробки даних та автомобілів високого класу. Їхня робота підкреслює, як адитивне виробництво та проектування сплавів на основі штучного інтелекту поєднуються для створення легших, міцніших та термічно ефективніших матеріалів, властивостей, необхідних для майбутніх реактивних двигунів та енергетичних систем.
В іншій частині світу турецький виробник аерокосмічних двигунів TEI повідомляє розробляючи понад 20 унікальних суперсплавів та титанових сплавів для використання в технології двигунів винищувачів та вертольотів.
«Війни зараз виграють у лабораторіях і на заводах. Технології, які ви виробляєте, визначають долю війни».
– генеральний директор TEI Махмут Фарук Аксіт
Оскільки температура всередині авіаційних двигунів сягає надзвичайно високого рівня, «вдвічі нижчої за температуру поверхні Сонця», потрібні метали, здатні працювати в умовах такої екстремальної спеки. Через це «системи охолодження, спеціальні покриття та технології матеріалів мають критичне значення», – додав він.
Подібний імпульс спостерігається в Китаї, де дослідники в даний час працює над новим охолодженням із суперсплаву техніка для покращення продуктивності та довговічності компоненти турбінного двигуна, що працюють за високих температур, що може дозволити вдосконалені реактивні двигуни.
Китайські дослідники також створений нова технологія виробництва лопаток турбін зі сплавів, які можуть витримувати температури до 15% вищі, ніж існуючі версії. Ця підвищена термостійкість очікується доставити gбільша тяга двигуна, краща енергоефективність та довший термін служби.
«Цей метод вбудовує композитну структуру з міді, магнію та сталі всередину леза за допомогою термомеханічних методів обробки», – йдеться у патенті на технологію. «Це дозволяє лезу підтримувати низьку...довгострокова функціональність за екстремально високих температурних умов.
Використання теплопровідності міді та термостійкості сталі робить композит придатним для майбутнього застосування в літаках та камери згоряння ракетних двигунів. Отже, саме так вчені всього світу працюють над удосконаленням різних аспектів реактивних двигунів, допомагаючи революціонізувати авіацію та виробництво електроенергії.
Інвестування у вдосконалення реактивних двигунів
Аерокосмічна та оборонна компанія, Технології Raytheon (RTX ), є одним з провідних світових інвесторів у передові матеріали та інновації в галузі силових установок через свою дочірню компанію Pratt & Whitney. Цей сегмент постачає авіаційні двигуни для військових, бізнес-джетів, комерційних та авіаційних клієнтів загального призначення.
Він має два інші сегменти: Collins Aerospace надає технологічно передові аерокосмічні та оборонні продукти, а також рішення для післяпродажного обслуговування, а Raytheon розробляє передові можливості в галузі протиповітряної та протиракетної оборони, інтелектуальної зброї та інших.
Компанія регулярно фінансує та співпрацює з академічними та урядовими дослідницькими ініціативами в гонитві за високоефективні, високотемпературні матеріали для реактивних двигунів наступного покоління. Вона досліджує вогнетривкі сплави, керамоматричні композити (КМК) та технології адитивного виробництва.
З ринковою капіталізацією в 239.5 мільярда доларів, RTX зараз торгується на рівні 178.75 долара, що на 54.38% більше. це рік до цих пір. Лише минулого тижня акції RTX досягли історичного максимуму (ATH) у 180.50 долара. Всього два роки тому акції компанії торгувалися нижче 100 доларів.
(RTX )
