Uusi Cr-Mo-Si-seos voisi kirjoittaa uudelleen suihkumoottorin lämpörajat

Tutkijat ovat kehittäneet uuden materiaalin, jolla on huomattavan korkea lämmönkestävyys ja joka osoittaa vahvaa potentiaalia käytettäväksi suihkumoottoreissa.

Tehokkaat teknologiat, kuten suihkumoottorit, kaasuturbiinit, teollisuuskoneet ja röntgenlaitteet, vaativat materiaaleja, jotka kestävät erittäin korkeita lämpötiloja. Tulenkestävät metallit, kuten volframi (W), kromi (Cr) ja molybdeeni (Mo), joiden sulamispisteet ovat erittäin korkeat, noin 2 000 celsiusastetta tai korkeammat, ja jotka kestävät erinomaisesti lämpöä, kulumista ja muodonmuutosta, sopivat ihanteellisesti tällaisiin sovelluksiin.

Vaikka näillä metalleilla on vaikuttava lämmönkestävyys, ne muuttuvat erittäin hauraiksi huoneenlämmössä. Nämä metallit myös hapettuvat nopeasti altistuessaan hapelle, mikä johtaa materiaalin pettämiseen 600–700 celsiusasteen lämpötiloissa.

Tämän seurauksena näitä materiaaleja voidaan käyttää tehokkaasti vain monimutkaisissa tyhjiöolosuhteissa, kuten röntgensäteilyä varten tarkoitetuissa pyörivissä anodeissa. Näiden rajoitusten voittamiseksi insinöörit ovat pitkään luottaneet nikkelipohjaisiin superseoksiin rakentaakseen komponentteja, joiden on kestettävä korkeita lämpötiloja.

Nikkelipohjaiset superseokset: Vahvuudet, rajat ja miksi ne saavuttavat maksimitehon

Superseos on erittäin suorituskykyinen seos tunnettu poikkeuksellisista mekaanisista ominaisuuksistaan ​​ja äärimmäisen kestävyydestään lämpö ja suuri jännitys. Niillä on myös hyvä pinnan ja faasin stabiilius, ja korkea hapettumisen- ja korroosionkestävyys.

Nämä seokset kehitettiin alun perin lentokoneiden turbiinimoottoreille, vain laajentaakseen moniin muihin vaativiin sovelluksiin ajan myötä, mukaan lukien kaasuturbiinit, rakettimoottorit, sähköntuotanto, kemianteollisuus ja öljytehtaat. 

Ne perustuvat pääasiassa nikkeliin, rautaan tai kobolttiin ja voivat säilyttää mekaanisen eheyden lämpötiloissa, joissa useimmat muut seokset pettäisivät. 

Nikkeli (Ni) on tässä avainasemassa. Hopeisenvalkoinen, kiiltävä siirtymämetalli on tunnettu sen käytöstä ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa seoksissa. Sillä on itse asiassa tärkeä rooli akun energiatiheydessä ja suorituskyvyssä, mikä mahdollistaa pidemmän kantaman ominaisuudet sisään sähköinen ajoneuvot. 

Metallin ominaisuudet ovat kriittisiä myös ilmailu- ja avaruustekniikan komponenteille, jotka ovat alttiina lämpötilan vaihteluille ja kosteudelle. Vastustuskykyinen oleminen hapettumiselle ja korroosiolle alttiina nikkeliseokset pidentävät komponenttien käyttöikää, näin parantamalla toiminnan tehokkuutta ja turvallisuutta.

Nikkelipohjaiset superseokset ovat todella käytetään laajimmin kuumimmissa osissa, Sopia yli 50 % edistyneiden lentokonemoottoreiden painosta erinomaisen kestävyytensä ansiosta vastaan viruminen ja jännitysmurtuma korkealla lämpötila.

Niillä on myös korkean lämpötilan lujuus, väsymyksen kestävyys, kevyt ja kestävyys sekä hyvä sähkönjohtavuus.

Nämä monikomponenttiset seokset koostuvat nikkelistä ja voivat sisältää seosaineita, kuten alumiinia (Al), kromia (Cr), kobolttia (Co), titaania (Ti) ja molybdeeniä (Mo) niiden ominaisuuksien parantamiseksi.

Nikkelipohjaisilla superseoksilla on omat rajoituksensa, vaikka, mukaan lukien korkeat kustannukset, työstövaikeudet muokkauslujittumisesta johtuen ja alhainen lämmönjohtavuus ja alttius halkeilulle hitsauksen ja lisäaineiden valmistuksen aikana. He voivat myös kärsiä hapettuminen ja voi kokea heikkenevät mekaaniset ominaisuudet ei-toivottujen saostumien muodostumisen vuoksi.

”Nykyiset superseokset on valmistettu monista eri metallisista alkuaineista, mukaan lukien harvoin saatavilla olevista, joten ne yhdistävät useita ominaisuuksia. Ne ovat sitkeitä huoneenlämmössä, stabiileja korkeissa lämpötiloissa ja kestävät hapettumista.”

– Professori Martin Heilmaier KIT:n sovelletun materiaalitieteen, materiaalitekniikan ja -tekniikan laitokselta

Mutta ongelmana ovat niiden käyttölämpötilat, jotka ovat "lämpötiloja, joissa niitä voidaan käyttää turvallisesti", ja niiden lämpötila voi nousta jopa 1 100 celsiusasteeseen. Hän lisäsi:

”Tämä on liian alhainen, jotta turbiinien tai muiden korkean lämpötilan sovellusten tehokkuuden parantamiseen tarvittaisiin täysi potentiaali. Tosiasia on, että palamisprosessien tehokkuus kasvaa lämpötilan noustessa.” 

jotta poistaa näiden rajoitusten vuoksi Saksan tutkimussäätiö (DFG) tarjosi rahoitusta, ja tutkijat onnistuivat kehitetty¹ uusi seos kromia (Cr), molybdeeniä (Mo) ja piitä (Si).

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja äärimmäisiin teollisuusvaatimuksiin suunnitellusta hyperadaptoriseoksesta.

Tulenkestävä Cr-Mo-Si-seos: Huoneenlämmössä kestävä venyvyys + 1 100 °C hapettumiskestävyys

Vaikka autoja ja kuorma-autoja sähköistetään nopeasti kestävän liikenteen saavuttamiseksi ja alan hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi, pitkän kantaman lentokoneissa tarvitaan polttomoottoreita edelleen, ainakin tulevina vuosina. vuosikymmeniä.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Heilmaierin mukaan sähkökäyttöiset lentokoneet ”tuskin sopivat pitkille lennoille seuraavien vuosikymmenten aikana. Siksi polttoaineenkulutuksen merkittävä vähentäminen on elintärkeä kysymys.”

Turbiinissa vain 100 celsiusasteen lämpötilan nousu voi vähentää polttoaineenkulutusta noin 5 prosenttia. 

Yksi tapa parantaa fossiilisten tai synteettisten polttoaineiden energianmuunnoksen tehokkuutta on siis nostaa niiden käyttölämpötiloja. Mutta tämän saavuttamiseksi yksikiteiset nikkelipohjaiset superseokset on korvattava tulenkestävillä materiaaleilla turbiinien kuumimmilla alueilla, joiden soliduslämpötilat ovat paljon korkeammat, yli 2 000 °C.

Edistyneiden nikkelipohjaisten superseosten korvaamista uusilla metalli-metallien välisillä materiaaleilla haittaa kuitenkin kaksi pääasiallista rajoitusta. Tämä sisältää hapettumiskestävyyden puutteen ja/tai venyvyys huoneenlämmössä (RT). 

Asia on siinä venyvyyttä ja hapettumiskestävyyttä ei voida ennustaa riittävästi, jotta kohdennettu materiaalisuunnittelu. 

Tällä hetkellä ei ole olemassa tarkkoja ennustavia simulointiominaisuuksia kummallekaan kahdesta kiinteistöstä. Tämä huolimatta merkittävästä edistyksestä, jota on tapahtunut tietokoneella avustettu materiaalien kehittäminen. Tämän seurauksena tiedemiesten ja insinöörien on luotettava havaintojen perusteella.

Nature-lehdessä julkaistu uusin tutkimus nimeltä 'Sitkeä kromi-molybdeeniseos, joka kestää korkean lämpötilan hapettumista'esitteli uuden materiaalin: yksifaasisen Cr-36.1Mo-3Si-seoksen.

Tulenkestävä metalliseos ”on sitkeää huoneenlämmössä, sen sulamispiste on jopa noin 2 000 celsiusastetta, ja – toisin kuin tähän mennessä tunnetut tulenkestävät seokset – se hapettuu vain hitaasti, jopa kriittisellä lämpötila-alueella”, sanoo Ruhrin yliopiston Bochumin professori, tohtori Alexander Kauffmann, jolla oli merkittävä rooli tässä löydössä.

Cr:n ja Mo:n käyttö tässä ratkaisee ongelmat of tulenkestävä metalliset elementit, ongelmia esiintyy hapettumista, mikä rajoittaa niiden käyttöä. Vaikka Cr johtaa suojaavan Cr2O3-kerroksen muodostumiseen, Mo tekee alueista vastustuskykyisiä nitraus. 

Si käytetään pienenä kolmantena elementtinä sen varmistamiseksi Cr2O3-skaalan hidas kasvu. Sen pieni määrä mahdollisti tutkijoiden syntetisoida yksifaasisia, epäjärjestäytyneitä kiinteitä liuoksia.

Vertaansa vailla olevien ominaisuuksiensa ansiosta ”tämä ruokkii visiota komponenttien valmistamisesta, jotka soveltuvat huomattavasti yli 1 100 celsiusasteen käyttölämpötiloihin. Tutkimuksemme tuloksilla on siis potentiaalia mahdollistaa todellinen teknologinen harppaus”, Kauffmann sanoi.

Mutta vaikka materiaali täyttää tulenkestävien materiaalien tärkeimmät kriittiset vaatimukset, jotta se olla käytetty teollisella tasolla sen on käytävä läpi "monia muita kehitysvaiheita".

Silti "perustutkimuksen löydöllämme olemme saavuttaneet tärkeän virstanpylvään. Tutkimusryhmät kaikkialla maailmassa voivat nyt rakentaa tämän saavutuksen pohjalle", Heilmaier sanoi.

Ketkä johtavat materiaalikilpailua: Yhdysvallat, Eurooppa, Kiina, Turkki

Tutkijoiden jatkaessa rikkoa lämpötila ja kestävyys esteet perinteisten nikkelipohjaisten superseosten kanssa, vastaavia läpimurtoja on muotoutumassa maailman ympäri.

Aiemmin tänä vuonna Amesin kansallislaboratorion tiimi löysi uusi seos että mahdollisesti korvata nikkeli- ja kobolttipohjaisia ​​superseoksia, joiden lämmönsietokyky on rajallinen parannus energiatehokkuudessa.

Ne siirtyivät luonnollisesti myös tulenkestävien metallien puoleen, koska ne ovat ainoita, joiden sulamispisteet ovat paljon korkeammat kuin nikkeli ja koboltti. Mutta tietenkin on niiden valmistuksen ja osiksi muokkaamisen monimutkainen asia.

Niinpä tutkijat päättivät yhdistää tulenkestävät metallit monialkuaineseoksiksi, jotka eivät perustu yhdellä elementillä, mutta kolmella tai useammalla elementillä, eikä mikään ylitä 50 % koko koostumuksesta.

"Olemme ymmärtäneet, että monien näiden muuten hauraiden puhtaiden alkuaineiden yhdistäminen merkittävinä määrinä luo atomirakenteita, joilla on emergenttejä, ainutlaatuisia ominaisuuksia."

– Tiimin johtaja Nicholas Argibay, joka on tutkija Ames Labissa, Yhdysvaltain energiaministeriön kansallisessa laboratoriossa, jota ylläpitää Iowan osavaltionyliopisto. 

Yli kolmen elementin yhdistäminen tarkoittaa kuitenkin "miljoonia yhdistelmiä etsittäväksi", mikä on aikaa vievä prosessi. Mutta tekoälyn ansiosta he pystyivät säästämään aikaa ja rahaa ja "saamaan sen oikein" ensimmäisellä iskulla.

Joten löytääkseen materiaalit ja niiden koostumus, tutkijat hyödynnetty laskennallinen viitekehys, Joka oli kehitetty kaksi Ames Labin tutkijaa, Prashant Singh ja Duane Johnson.

"Kooimme teoriaohjatun menetelmän, joka on yhteydessä kokeisiin. Se ohjaa kokeilijoita oikeaan suuntaan uusien seosten löytämiseksi, joilla on juuri ne ominaisuudet, joita he haluavat materiaaleihin."

– Johnson

Tämä uusi seos esittelee enemmän joustavuutta muodonmuutokseen korkeammissa lämpötiloissa ja tarvittavaan venyvyyteen ominaisuudet että olla valmistettu kaupallisesti vakiintuneita menetelmiä käyttäen. 

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 yhdistetty koneoppiminen (ML) metallien 3D-tulostukseen² Suunnittele alumiinipohjainen seos, jonka tulostetut osat vastaavat taotun 7075-teräksen lujuutta – ja ovat 400 °C:n vanhentamisen jälkeen ~50 % lujempia kuin lujin tulostettava alumiiniseos. 

Tämän uuden metallin luomiseksi tiimi sekoitti alumiinia muihin alkuaineisiin, jotka tunnistettiin simulaatiot ja koneoppiminen.

Tutkijat toivovat saavansa uuden tulostettavan metallinsa tehty vahvempi, kevyempija lämpötilaa kestäviä tuotteita, kuten tuulettimen siipiä in suihkumoottorit, jotka tehdään kalliimpaa ja raskaampaa titaania.

”Jos voimme käyttää kevyempää ja lujaa materiaalia, se säästäisi huomattavan määrän energiaa kuljetusalalla”, sanoi tutkimuksen johtaja Mohadeseh Taheri-Mousavi, joka työskentelee nykyään apulaisprofessorina Carnegie Mellon -yliopistossa.

Lisäksi ilmailu- ja liikenneala teollisuus, tutkijat kuvittelevat tulostettavan seoksensa että be käytetty datakeskusten ja huippuluokan autojen jäähdytyslaitteissa. Heidän työnsä korostaa sitä, miten ainetta lisäävä valmistus ja tekoälypohjainen metalliseosten suunnittelu kohtaavat luodakseen kevyempiä, vahvempia ja lämpötehokkaampia materiaaleja, jotka ovat olennaisia ​​tulevaisuuden suihkupropulsio- ja energiajärjestelmille.

Toisessa päin maailmaa turkkilainen ilmailu- ja avaruusmoottorivalmistaja TEI on raportoitu kehittää yli 20 ainutlaatuista superseosta ja titaaniseosta hävittäjä- ja helikopterimoottoreiden teknologiaan.

”Sodat voitetaan nykyään laboratorioissa ja tehtaissa. Tuottamasi teknologia määrää sodan kohtalon.”

– TEI:n pääjohtaja Mahmut Faruk Aksit

Lentokoneiden moottoreiden sisälämpötilan noustessa erittäin korkeiksi, "puolet auringon pinnan lämpötilasta", tarvitaan metalleja, jotka pystyvät toimimaan niin äärimmäisessä kuumuudessa. Tästä syystä "jäähdytysjärjestelmät, erikoispinnoitteet ja materiaaliteknologiat ovat kriittisen tärkeitä", hän lisäsi.

Samanlainen vauhti on käynnissä Kiinassa, jossa tutkijat ovat tällä hetkellä työskentelee uuden superseosjäähdytyksen parissa tekniikka parantaakseen suorituskykyä ja kestävyyttä korkean lämpötilan turbiinimoottorin komponentit, joka voi mahdollistaa edistyneet suihkumoottorit.

Kiinalaiset tutkijat ovat myös luotu uusi tekniikka, jolla valmistetaan metalliseosturbiinin lapoja, jotka kestävät jopa 15 % korkeampia lämpötiloja kuin nykyiset versiot. Tämä parannettu lämmönkestävyys on odotettua toimittaa gsuurempi moottorin työntövoima, parempi energiatehokkuus ja pidempi käyttöikä.

”Tämä menetelmä upottaa terän sisään kupari-magnesium-teräs-komposiittirakenteen termomekaanisilla prosessointitekniikoilla”, teknologian patentissa todetaan. ”Tämä mahdollistaa terän alhaisen pinnan säilyttämisen”pitkäaikaista toimivuutta äärimmäisen korkeissa lämpötiloissa.”

Kuparin lämmönjohtavuuden ja teräksen lämmönkestävyyden ansiosta komposiitti soveltuu tulevaisuuden sovelluksiin lentokoneissa ja rakettimoottorin palotilat. Näin tiedemiehet ympäri maailmaa työskentelevät suihkumoottoreiden eri osa-alueiden parantamiseksi ja auttavat mullistamaan ilmailua ja energiantuotantoa.

Klikkaa tästä ja lue lisää siitä, miten parannettu banokiteinen seos voisi mullistaa ilmailu- ja autoteollisuuden.

Investoiminen suihkumoottorien kehittämiseen 

Ilmailu- ja puolustusalan yritys, Raytheon Technologies (RTX ), on yksi johtavista maailmanlaajuisista investoijista edistyneiden materiaalien ja propulsioinnovaatioiden alalla tytäryhtiönsä Pratt & Whitneyn kautta. Tämä segmentti toimittaa lentokoneiden moottoreita sotilas-, liikesuihku-, kaupallisille ja yleisilmailuasiakkaille.

Sillä on kaksi muuta segmenttiä: Collins Aerospace tarjoaa teknologisesti edistyneitä ilmailu- ja puolustusalan tuotteita sekä jälkimarkkinapalveluratkaisuja, ja Raytheon kehittää edistyneitä ominaisuuksia ilma- ja ohjuspuolustuksessa, älyaseissa ja muissa aloissa.

Yritys rahoittaa ja tekee säännöllisesti yhteistyötä akateemisten ja valtion tutkimushankkeiden kanssa harjoittaessaan tehokkaampia ja korkeamman lämpötilan materiaaleja seuraavan sukupolven suihkumoottoreille. Se tutkii tulenkestäviä seoksia, keraamisia matriisikomposiitteja (CMC) ja additiivisia valmistustekniikoita. 

RTX:n markkina-arvo on 239.5 miljardia dollaria, ja sen arvo on tällä hetkellä 178.75 dollaria, mikä on 54.38 % nousua. tätä vuosi toistaiseksi. Juuri viime viikolla RTX:n osakkeet saavuttivat kaikkien aikojen ennätyksensä (ATH) 180.50 dollarissa. Vain kaksi vuotta sitten yhtiön osakekurssi kävi kauppaa alle 100 dollarissa.