Paduan Cr-Mo-Si Baru Dapat Mengubah Batas Panas Mesin Jet

Para peneliti telah mengembangkan material baru dengan ketahanan suhu yang sangat tinggi, yang menunjukkan potensi besar untuk digunakan dalam mesin jet.

Teknologi canggih seperti mesin jet, turbin gas, mesin industri, dan peralatan sinar-X membutuhkan material yang mampu menahan suhu yang sangat tinggi. Logam tahan panas seperti tungsten (W), kromium (Cr), dan molibdenum (Mo), dengan titik leleh yang sangat tinggi sekitar 2,000 derajat Celcius atau lebih tinggi dan ketahanan luar biasa terhadap panas, keausan, dan deformasi, sangat ideal untuk aplikasi tersebut.

Namun, meskipun logam-logam ini menunjukkan stabilitas termal yang mengesankan, logam-logam ini menjadi sangat rapuh pada suhu ruangan. Logam-logam ini juga teroksidasi dengan cepat ketika terpapar oksigen, yang menyebabkan kegagalan material pada suhu antara 600 dan 700 derajat Celcius.

Akibatnya, material ini hanya dapat digunakan secara efektif dalam kondisi vakum yang kompleks, seperti pada anoda putar sinar-X. Untuk mengatasi keterbatasan ini, para insinyur telah lama mengandalkan superpaduan berbasis nikel untuk membuat komponen yang harus tahan terhadap panas tinggi.

Paduan Super Berbasis Nikel: Kekuatan, Batasan, dan Mengapa Kinerjanya Memaksimal

Superalloy adalah paduan berkinerja tinggi. dikenal karena sifat mekaniknya yang luar biasa dan ketahanannya terhadap kondisi ekstrem. panas dan tekanan tinggi. Mereka juga memiliki stabilitas permukaan dan fase yang baik, dan ketahanan oksidasi dan korosi yang tinggi.

Paduan ini awalnya dikembangkan untuk mesin turbin pesawat terbang., hanya untuk memperluas untuk banyak aplikasi menuntut lainnya dari waktu ke waktutermasuk turbin gas, mesin roket, pembangkit listrik, pengolahan kimia, dan pabrik perminyakan. 

Paduan ini terutama berbahan dasar nikel, besi, atau kobalt dan dapat mempertahankan integritas mekanis pada suhu di mana sebagian besar paduan lainnya akan gagal. 

Nikel (Ni) sangat penting di sini. Logam transisi berwarna putih keperakan dan berkilau ini adalah dikenal karena penggunaannya terbuat dari paduan baja tahan karat. Hal ini sebenarnya memainkan peran penting dalam kepadatan energi dan kinerja baterai, sehingga memungkinkan jangkauan yang lebih jauh. kemampuan dalam listrik kendaraan. 

Sifat-sifat logam tersebut juga sangat penting untuk komponen kedirgantaraan, yang terpapar terhadap perubahan suhu dan kelembapan. Bersikap menolak Terhadap oksidasi dan korosi, paduan nikel memperpanjang umur komponen. demikian Meningkatkan efisiensi operasional dan keselamatan.

Paduan super berbasis nikel adalah sebenarnya paling banyak digunakan untuk bagian-bagian terpanas, mengarang lebih dari 50% berat mesin pesawat canggih, berkat ketahanannya yang luar biasa. terhadap rayapan dan kerusakan akibat tegangan tinggi suhu.

Mereka juga menunjukkan kekuatan pada suhu tinggi, ketahanan terhadap kelelahan, daya tahan yang ringan, dan konduktivitas listrik yang baik.

Paduan multi-komponen ini terdiri dari nikel dan dapat mencakup unsur paduan seperti aluminium (Al), kromium (Cr), kobalt (Co), titanium (Ti), dan molibdenum (Mo) untuk meningkatkan sifat-sifatnya.

Paduan super berbasis nikel memiliki keterbatasan tersendiri, meskipun, termasuk biaya tinggi, kesulitan dalam pengerjaan mesin karena pengerasan kerja. dan konduktivitas termal rendah, dan kerentanan terhadap retak selama pengelasan dan manufaktur aditif. Mereka juga bisa menderita karena oksidasi dan bisa mengalami Sifat mekanik menurun akibat pembentukan endapan yang tidak diinginkan.

“Paduan super yang ada saat ini terbuat dari berbagai unsur logam yang berbeda, termasuk unsur-unsur yang jarang tersedia, sehingga menggabungkan beberapa sifat. Paduan ini ulet pada suhu ruang, stabil pada suhu tinggi, dan tahan terhadap oksidasi.”

– Profesor Martin Heilmaier dari Institut Material Terapan, Ilmu Material dan Rekayasa KIT

Namun masalahnya adalah suhu operasinya, yaitu “suhu di mana mereka dapat digunakan dengan aman,” dan suhunya mencapai hingga 1,100 derajat Celcius.. Dia menambahkan:

“Angka ini terlalu rendah untuk memanfaatkan potensi penuh peningkatan efisiensi pada turbin atau aplikasi suhu tinggi lainnya. Faktanya, efisiensi dalam proses pembakaran meningkat seiring dengan suhu.” 

Untuk menghapus Keterbatasan ini, Yayasan Penelitian Jerman (DFG) menyediakan pendanaan, dan para peneliti berhasil dikembangkan¹ paduan baru dari kromium (Cr), molibdenum (Mo), dan silikon (Si).

Klik di sini untuk mempelajari tentang paduan hiperadaptor yang dirancang untuk memenuhi tuntutan industri ekstrem.

Paduan Refraktori Cr-Mo-Si: Keuletan Suhu Ruang + Ketahanan Oksidasi 1,100 °C

Meskipun mobil dan truk dengan cepat dialiri listrik untuk mencapai transportasi berkelanjutan dan dekarbonisasi sektor ini, mesin pembakaran internal pada pesawat jarak jauh masih akan dibutuhkan, setidaknya di masa mendatang. dekade.

Geser untuk menggulir →

Pesawat bertenaga listrik, menurut Heilmaier, “hampir tidak akan cocok untuk penerbangan jarak jauh dalam beberapa dekade mendatang. Oleh karena itu, pengurangan konsumsi bahan bakar yang signifikan akan menjadi isu yang sangat penting.”

Pada turbin, peningkatan suhu hanya sebesar 100 derajat Celcius dapat mengurangi konsumsi bahan bakar sekitar 5%. 

Jadi, salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dari bahan bakar fosil atau sintetis adalah dengan meningkatkan suhu operasinya. Namun untuk mencapai hal itu, superpaduan berbasis nikel kristal tunggal perlu diganti dengan material tahan panas di area terpanas turbin, yang menunjukkan suhu solidus jauh lebih tinggi di atas 2,000 °C.

Namun, penggantian superpaduan berbasis Ni tingkat lanjut dengan material intermetalik-logam baru terhambat oleh dua keterbatasan utama. Kredensial mikro termasuk kurangnya ketahanan terhadap oksidasi dan/atau keuletan pada suhu ruang (RT). 

Masalahnya adalah itu Keuletan dan ketahanan terhadap oksidasi tidak dapat diprediksi secara memadai untuk memungkinkan desain material yang terarah. 

Saat ini, belum ada kemampuan simulasi prediktif yang akurat untuk keduanya. dari dua properti. Kredensial mikro terlepas dari kemajuan signifikan yang telah dicapai dalam Pengembangan material dengan bantuan komputer. Akibatnya, para ilmuwan dan insinyur harus bergantung pada hal tersebut. berdasarkan pengamatan.

Diterbitkan di Nature, studi terbaru berjudul 'Paduan kromium-molibdenum ulet yang tahan terhadap oksidasi suhu tinggi.' memperkenalkan material baru: paduan Cr-36.1Mo-3Si fase tunggal.

Paduan berbasis logam tahan panas ini "bersifat ulet pada suhu ruang, titik lelehnya setinggi sekitar 2,000 derajat Celcius, dan – tidak seperti paduan tahan panas yang dikenal hingga saat ini – ia hanya mengalami oksidasi secara perlahan, bahkan dalam kisaran suhu kritis," kata Dr. Alexander Kauffmann, seorang profesor di Universitas Ruhr Bochum, yang memainkan peran utama dalam penemuan ini.

Penggunaan Cr dan Mo di sini mengatasi masalah tersebut. of tahan panas elemen logam, menunjukkan masalah dalam oksidasi, yang membatasi penerapannya. Sementara Cr menyebabkan pembentukan lapisan pelindung Cr2O3, Mo membuat daerah tersebut tahan terhadap nitridasi. 

Si digunakan sebagai elemen ketiga minor untuk memastikan Pertumbuhan kerak Cr2O3 yang lambat. Jumlahnya yang rendah memungkinkan para peneliti untuk mensintesis larutan padat satu fasa yang tidak teratur.

Dengan sifat-sifatnya yang tak tertandingi, “ini menumbuhkan visi untuk dapat membuat komponen yang cocok untuk suhu operasi yang jauh lebih tinggi dari 1,100 derajat Celcius. Dengan demikian, hasil penelitian kami berpotensi untuk memungkinkan lompatan teknologi yang nyata,” kata Kauffmann.

Namun, meskipun material tersebut memenuhi persyaratan kritis terpenting untuk material tahan api, agar material tersebut dapat digunakan Pada tingkat industri, hal itu harus melalui “banyak tahapan pengembangan lainnya.”

Namun demikian, “dengan penemuan kami dalam penelitian fundamental, kami telah mencapai tonggak penting. Kelompok penelitian di seluruh dunia sekarang dapat membangun berdasarkan pencapaian ini,” kata Heilmaier.

Siapa yang Memimpin Perlombaan Material: AS, Eropa, Cina, Turki

Seiring para peneliti terus melanjutkan istirahat suhu dan daya tahan hambatan dari Paduan super berbasis nikel tradisional, terobosan serupa adalah mulai terbentuk di seluruh dunia.

Awal tahun ini, sebuah tim di Laboratorium Nasional Ames ditemukan paduan baru untuk berpotensi menggantikan superpaduan berbasis nikel dan kobalt, yang memiliki keterbatasan toleransi panas. perbaikan dalam efisiensi energi.

Mereka juga secara alami beralih ke logam tahan panas karena hanya logam itulah yang memiliki titik leleh jauh lebih tinggi daripada logam lainnya. nikel dan kobalt. Namun tentu saja, ada masalah kompleks dalam pembuatan dan pembentukan komponen-komponen tersebut.

Jadi, para peneliti memutuskan untuk menggabungkan logam tahan panas menjadi paduan multi-unsur utama, yang tidak berdasarkan pada satu elemen tetapi pada tiga elemen atau lebih, dengan tidak ada yang melebihi 50% dari keseluruhan komposisi.

“Kita telah memahami bahwa menggabungkan banyak unsur murni yang rapuh ini dalam jumlah yang signifikan akan menciptakan struktur atom yang memiliki sifat unik dan muncul secara spontan.”

– Ketua tim Nicholas Argibay, seorang ilmuwan di Ames Lab, sebuah Laboratorium Nasional Kantor Sains Departemen Energi AS yang dioperasikan oleh Universitas Negeri Iowa. 

Namun, mencampur lebih dari tiga elemen berarti "jutaan kombinasi yang harus dicari," yang merupakan proses yang memakan waktu. Tetapi berkat AI, mereka mampu menghemat waktu dan uang serta "mendapatkan hasil yang tepat" pada percobaan pertama.

Jadi, untuk menemukan bahan-bahan dan komposisi, para peneliti dimanfaatkan kerangka kerja komputasi, yang adalah dikembangkan oleh dua ilmuwan Ames Lab, Prashant Singh dan Duane Johnson.

“Kami menyusun metodologi berbasis teori yang berinteraksi dengan eksperimen. Ini mengarahkan para eksperimen ke arah yang benar untuk paduan baru dengan sifat spesifik yang mereka inginkan dalam material tersebut.”

– Johnson

Paduan baru ini menunjukkan lebih tangguh terhadap deformasi pada suhu yang lebih tinggi dan daktilitas yang diperlukan properties untuk diproduksi menggunakan metode yang sudah mapan secara komersial. 

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 menggabungkan pembelajaran mesin (ML) dengan pencetakan 3D logam.² Merancang paduan berbasis Al yang bagian hasil cetakannya memiliki kekuatan yang setara dengan baja tempa 7075—dan, setelah penuaan pada suhu 400 °C, ~50% lebih kuat daripada tolok ukur Al terkuat yang dapat dicetak. 

Untuk menciptakan logam baru ini, tim tersebut mencampur aluminium dengan unsur-unsur lain yang diidentifikasi melalui simulasi dan ML.

Para peneliti berharap logam yang dapat dicetak baru mereka ini dapat segera tersedia. dibuat menjadi lebih kuat, lebih ringandan produk tahan suhu, seperti bilah kipas. in mesin jet, yang dibuat dengan lebih mahal dan titanium yang lebih berat.

“Jika kita dapat menggunakan material yang lebih ringan dan berkekuatan tinggi, ini akan menghemat energi dalam jumlah yang cukup besar bagi industri transportasi,” kata pemimpin studi tersebut, Mohadeseh Taheri-Mousavi, yang sekarang menjadi asisten profesor di Universitas Carnegie Mellon.

Selain industri kedirgantaraan dan transportasi industriPara peneliti membayangkan paduan logam yang dapat dicetak tersebut. untuk be bekas pada perangkat pendingin untuk pusat data dan mobil kelas atas. Karya mereka menekankan bagaimana manufaktur aditif dan desain paduan berbasis AI bertemu untuk menciptakan material yang lebih ringan, lebih kuat, dan lebih efisien secara termal, sifat-sifat yang penting untuk sistem propulsi jet dan energi masa depan.

Di bagian dunia lain, produsen motor kedirgantaraan Turki TEI memiliki melaporkan mengembangkan lebih dari 20 paduan super unik dan paduan titanium untuk digunakan dalam teknologi motor jet tempur dan helikopter.

“Perang kini dimenangkan di laboratorium dan pabrik. Teknologi yang Anda hasilkan menentukan nasib perang.”

– Manajer Umum TEI Mahmut Faruk Aksit

Dengan suhu di dalam mesin pesawat yang mencapai sangat tinggi, "setengah suhu permukaan matahari," dibutuhkan logam yang dapat beroperasi dalam suhu ekstrem tersebut. Hal ini membuat "sistem pendingin, lapisan khusus, dan teknologi material menjadi sangat penting," tambahnya.

Momentum serupa juga terjadi di Tiongkok, di mana para peneliti sedang sekarang sedang mengerjakan sistem pendingin superalloy baru teknik untuk meningkatkan kinerja dan daya tahan komponen mesin turbin suhu tinggi, yang dapat memungkinkan mesin jet canggih.

Para peneliti Tiongkok juga dibuat Teknik baru untuk memproduksi bilah turbin paduan yang dapat menahan suhu hingga 15% lebih tinggi daripada versi yang ada saat ini. Ketahanan panas yang ditingkatkan ini diharapkan untuk mengirimkan gDaya dorong mesin yang lebih besar, efisiensi energi yang lebih baik, dan umur pakai yang lebih panjang.

“Metode ini menanamkan struktur komposit tembaga-magnesium-baja di dalam bilah menggunakan teknik pemrosesan termomekanis,” demikian pernyataan dalam paten teknologi tersebut. “Hal ini memungkinkan bilah untuk mempertahankan tingkat ketajaman yang rendah.”fungsionalitas jangka panjang dalam kondisi suhu sangat tinggi.”

Penggunaan konduktivitas termal tembaga dan ketahanan panas baja membuat komposit ini cocok untuk aplikasi masa depan di bidang pesawat terbang dan ruang pembakaran mesin roket. Jadi, begitulah cara para ilmuwan di seluruh dunia bekerja untuk meningkatkan berbagai aspek mesin jet, membantu merevolusi penerbangan dan pembangkit listrik.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana paduan banokristalin yang disempurnakan dapat merevolusi sektor kedirgantaraan & otomotif.

Berinvestasi dalam Pengembangan Mesin Jet 

Perusahaan kedirgantaraan dan pertahanan, Teknologi Raytheon (RTX ), adalah salah satu investor global terkemuka di bidang material canggih dan inovasi propulsi melalui anak perusahaannya, Pratt & Whitney. Segmen ini memasok mesin pesawat untuk pelanggan militer, jet bisnis, komersial, dan penerbangan umum.

Perusahaan ini memiliki dua segmen lainnya: Collins Aerospace menyediakan produk-produk kedirgantaraan dan pertahanan yang canggih secara teknologi serta solusi layanan purna jual, dan Raytheon mengembangkan kemampuan canggih dalam pertahanan udara dan rudal, senjata pintar, dan lainnya.

Perusahaan secara rutin mendanai dan berkolaborasi dengan inisiatif penelitian akademis dan pemerintah. dalam mengejar Material dengan efisiensi dan suhu lebih tinggi untuk mesin jet generasi berikutnya. Perusahaan ini sedang mengeksplorasi paduan tahan api, komposit matriks keramik (CMC), dan teknik manufaktur aditif. 

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $239.5 miliar, RTX saat ini diperdagangkan pada harga $178.75, naik 54.38%. ini tahun sejauh ini. Baru minggu lalu, saham RTX mencapai titik tertinggi sepanjang masa (ATH) sebesar $180.50. Dua tahun lalu, harga saham perusahaan ini diperdagangkan di bawah $100.