材料科学
新型铬钼硅合金或将改写喷气发动机耐热极限
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研究人员开发出一种耐高温性能极佳的新材料，展现出在喷气发动机领域应用的巨大潜力。
喷气式发动机、燃气轮机、工业机械和X射线设备等高功率技术需要能够承受极高温度的材料。钨（W）、铬（Cr）和钼（Mo）等难熔金属具有极高的熔点（约2,000摄氏度或更高），并且具有优异的耐热性、耐磨性和抗变形性，是此类应用的理想材料。
然而，虽然这些金属表现出优异的热稳定性，但它们在室温下会变得非常脆。这些金属暴露在氧气中也会迅速氧化，导致在 600 至 700 摄氏度的温度范围内发生材料失效。
因此，这些材料只能在复杂的真空条件下有效使用，例如在X射线旋转阳极中。为了克服这些限制，工程师们长期以来一直依赖镍基高温合金来制造必须承受高温的部件。
镍基高温合金：优势、局限性及其性能瓶颈
超合金是一种高性能合金。 以其卓越的机械性能和耐极端腐蚀性而闻名 它们还能耐受高温高应力。此外，它们还具有良好的表面稳定性和相稳定性。 以及 高抗氧化性和耐腐蚀性。
这些合金最初是为飞机涡轮发动机开发的。, 只是为了扩展 以及许多其他高要求的应用 随着时间的推移包括燃气轮机、火箭发动机、发电厂、化学加工厂和石油厂。
它们主要由镍、铁或钴制成，能够在大多数其他合金会失效的温度下保持机械完整性。
镍（Ni）在这里起着至关重要的作用。这种银白色、有光泽的过渡金属是 因其用途而闻名 在不锈钢合金中。 它实际上在电池能量密度和性能方面发挥着重要作用，从而实现更长的续航里程。 能力在 电动 车辆.
这种金属的性能对于航空航天部件也至关重要， 暴露了 对温度和湿度变化的影响。 具有抵抗力 镍合金能抵抗氧化和腐蚀，从而延长部件的使用寿命。 从而 提高运营效率和安全性。
镍基高温合金是 通 最常用于温度最高的部位。 编造 由于其卓越的抗冲击性，先进飞机发动机的重量超过50%都来自这些部件，这得益于它们出色的抗冲击性。 驳 高蠕变和应力断裂 温度.
它们还表现出高温强度， 抗疲劳轻巧耐用，导电性好。
这些多组分合金由镍组成，并可能包含铝（Al）、铬（Cr）、钴（Co）、钛（Ti）和钼（Mo）等合金元素，以增强其性能。
镍基高温合金也有其自身的局限性。 虽然， 包括成本高、加工硬化导致加工困难等 以及 导热系数低，且在焊接和增材制造过程中容易开裂。 他们还可以 遭受 氧化和 可以体验 由于形成不必要的沉淀物，导致机械性能下降。
“现有的高温合金由多种不同的金属元素组成，包括一些稀有元素，因此它们兼具多种性能。它们在室温下具有延展性，在高温下稳定，并且耐氧化。”
——卡尔斯鲁厄理工学院应用材料、材料科学与工程研究所的马丁·海尔迈尔教授
但问题在于它们的运行温度，也就是“它们所处的温度”。 它们可以被使用 安全地”，它们的温度范围最高可达1,100摄氏度。. 他补充说：
“这个温度太低，无法充分发挥涡轮机或其他高温应用中提高效率的潜力。事实上，燃烧过程的效率会随着温度的升高而提高。”
至 去掉 这些限制条件，德国研究基金会（DFG）提供了 资金到位，研究人员成功 发达1 一种新合金 铬（Cr）、钼（Mo）和硅（Si）。
铬钼硅耐火合金：室温延展性 + 1,100℃抗氧化性
虽然汽车和卡车正在快速电气化以实现可持续交通和行业脱碳，但远程飞机仍然需要内燃机，至少在未来一段时间内如此。 几十年。
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| 特性 | 镍基高温合金 | Cr-36.1Mo-3Si（新） | 为什么重要 |
|---|---|---|---|
| 金属最高安全温度（约） | 冷却/热障涂层时温度约为 1,050–1,100 °C | 耐氧化温度高达 1,100 °C | 更高的允许温度 → 效率提升 |
| 室温延展性 | 固德 | **现状**（压缩延展性） | 可制造性和损伤容限 |
| 600–700 °C 范围内的氧化 | 通过涂层/冷却进行管理 | 介壳虫生长缓慢；虫害得到抑制。 | 延长危重状态下的寿命 |
| 熔点/固相线 | 低于耐火合金 | ~2,000 °C 级 | 未来周期的空间 |
| 成本/复杂性 | 高；多种元素 | 元件数量减少；需要新的供应链 | 行业的可扩展性问题 |
海尔迈尔指出，电动飞机“在未来几十年内几乎不适合长途飞行。因此，大幅降低燃油消耗将是一个至关重要的问题。”
在涡轮机中，温度仅升高 100 摄氏度，就能降低约 5% 的燃料消耗。
因此，提高化石燃料或合成燃料能量转换效率的一种方法是提高其工作温度。但要实现这一点，需要在涡轮机最热的区域用耐火材料替代单晶镍基高温合金，这些耐火材料的固相线温度要高得多，超过2,000°C。
然而，用新型金属间化合物材料替代先进的镍基高温合金，主要受到两个方面的限制。 本篇 包括缺乏抗氧化性和/或 室温（RT）下的延展性。
事实是 延展性和抗氧化性无法得到充分预测，因此无法实现 针对性材料设计。
目前，这两种情况都还没有准确的预测模拟能力。 这两个属性. 本篇 尽管在以下方面取得了显著进展： 计算机辅助材料开发。因此，科学家和工程师必须依赖计算机辅助材料开发。 关于观察。
发表在《自然》杂志上的最新研究题为“一种具有良好延展性的铬钼合金，耐高温氧化引入了新材料：单相 Cr-36.1Mo-3Si 合金。
鲁尔大学波鸿分校教授亚历山大·考夫曼博士说，这种难熔金属基合金“在室温下具有延展性，熔点高达约 2,000 摄氏度，而且——与迄今为止已知的难熔合金不同——即使在临界温度范围内，它的氧化速度也很慢。”考夫曼博士在这一发现中发挥了重要作用。
这里使用铬和钼解决了这些问题。 of 耐火 金属元素, 显示问题 氧化作用限制了它们的应用。 铬会促使形成一层保护性的Cr2O3氧化膜，而钼则使这些区域具有抗氧化性。 氮化作用。
Si 用来 作为次要的第三个要素，以确保 Cr2O3氧化层生长缓慢。其含量低，使得研究人员能够合成单相无序固溶体。
考夫曼表示：“凭借其无与伦比的特性，这为我们实现制造适用于远高于1,100摄氏度工作温度的组件的愿景奠定了基础。因此，我们的研究成果有可能带来真正的技术飞跃。”
虽然这种材料满足耐火材料最重要的关键要求，但要使其…… 使用 从工业层面来看，它还需要经历“许多其他开发步骤”。
不过，海尔迈尔表示：“我们在基础研究方面的发现，标志着我们取得了一项重要的里程碑。世界各地的研究团队现在都可以以此为基础开展研究。”
谁在材料竞赛中领先：美国、欧洲、中国、土耳其
随着研究人员继续 打破 温度和耐久性 障碍 传统的镍基高温合金，类似的突破是 正在成形 世界各地。
今年早些时候，艾姆斯国家实验室的一个团队 发现 一种新合金 至 可能 取代镍基和钴基高温合金，这些合金的耐热性有限 改进 在能源效率方面。
他们自然而然地转向了难熔金属，因为只有难熔金属的熔点远高于其他金属。 镍和钴。 当然，还有将它们制造并加工成零件的复杂问题。
因此，研究人员决定将难熔金属组合成多主元合金， 并非基于 单个元素上，但三个或更多元素上，且没有超过 占总成分的50%。
“我们逐渐认识到，将许多原本易碎的纯元素大量组合在一起，可以创造出具有独特性质的原子结构。”
– 团队负责人 Nicholas Argibay 是艾姆斯实验室的科学家，该实验室是美国能源部科学办公室下属的国家实验室，由爱荷华州立大学运营。
然而，将三种以上的元素混合在一起意味着“需要搜索数百万种组合”，这是一个耗时的过程。但得益于人工智能，他们得以节省时间和金钱，并且一次就“成功”。
所以，要找到 材料及其 写作, 研究人员 利用 计算框架，这 是 发达 由艾姆斯实验室的两名科学家 Prashant Singh 和 Duane Johnson 撰写。
“我们建立了一套理论指导的方法论，并将其与实验相结合。它为实验人员指明了正确的方向，帮助他们找到具有所需特定性能的新型合金材料。”
- 约翰逊
这种新型合金表现出 更有弹性 在较高温度下发生变形以及所需的延展性 至 被制造 采用商业上已确立的方法。
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 将机器学习 (ML) 与金属 3D 打印相结合2 设计一种铝基合金，其打印部件的强度与锻造 7075 相当，并且在 400°C 时效处理后，强度比最强的可打印铝基准强度高约 50%。
为了制造这种新金属，研究团队将铝与其他通过实验确定的元素混合在一起。 模拟和机器学习。
研究人员希望他们的新型可打印金属 制作成 更强大 更轻量以及耐高温产品，例如风扇叶片 in 喷气发动机， 由 - 更昂贵 以及 较重的钛合金。
“如果我们能够使用更轻、更高强度的材料，这将为交通运输行业节省大量能源，”该研究的负责人、现任卡内基梅隆大学助理教授 Mohadeseh Taheri-Mousavi 说。
除了 航空航天与运输 行业中的应用:研究人员设想他们的可打印合金 至 be 用过的 应用于数据中心和高端汽车的冷却设备中。 他们的研究强调了增材制造和人工智能驱动的合金设计如何结合起来，创造出更轻、更强、热效率更高的材料，这些特性对于未来的喷气推进和能源系统至关重要。
在世界另一端，土耳其航空航天发动机制造商TEI拥有 报道 开发了 20 多种独特的超合金和钛合金，用于战斗机和直升机发动机技术。
“如今战争的胜利是在实验室和工厂里取得的。你研发的技术决定了战争的走向。”
– TEI 总经理 Mahmut Faruk Aksit
飞机发动机内部温度极高，可达“太阳表面温度的一半”，因此需要使用能够在如此极端高温下工作的金属。他补充说，这使得“冷却系统、特殊涂层和材料技术至关重要”。
类似的势头也正在中国上演，那里的研究人员…… 目前 正在研发一种新型超合金冷却技术 技术 为了提高性能和耐久性 高温涡轮发动机部件 这可以实现 先进的喷气发动机。
中国研究人员也 创建 一种生产合金涡轮叶片的新技术，其耐温能力比现有版本高出 15%。 这种增强的耐热性 是期待 交付g更大的发动机推力、更高的能源效率和更长的使用寿命。
该技术专利指出：“这种方法利用热机械加工技术，将铜镁钢复合结构嵌入刀片内部。这使得刀片能够保持低……ng-term 在极端高温条件下的功能。”
利用铜的导热性和钢的耐热性，这种复合材料适用于未来在航空航天领域的应用。 火箭发动机燃烧室。 因此，世界各地的科学家正致力于改进喷气发动机的各个方面，从而帮助彻底改变航空和发电行业。
投资喷气发动机技术进步
航空航天和国防公司, 雷神技术 (RTX ), 是全球领先的先进材料和推进创新领域投资者之一，其子公司普惠公司便是其中之一。 该部门为军用、公务机、商用和通用航空客户提供飞机发动机。
它还包括另外两个部门：柯林斯航空航天公司 提供技术先进的航空航天和国防产品及售后服务解决方案， 雷神公司在防空和导弹防御、智能武器等领域开发先进技术。
该公司定期资助并与学术界和政府的研究项目开展合作。 在追求 为下一代喷气发动机研发更高效率、更高耐温材料。该项目正在探索耐火合金、陶瓷基复合材料（CMCs）和增材制造技术。
RTX 的市值为 239.5 亿美元，目前股价为 178.75 美元，上涨 54.38%。 Free Introduction 年 到目前为止. 就在上周，RTX股价创下历史新高，达到180.50美元。而就在两年前，该公司股价还不到100美元。
(RTX )
