ما هي السبائك الفائقة المستخدمة عادة؟
ما هي السبائك ذات درجة الحرارة العالية؟
السبائك الفائقة هي مجموعة من المعادن التي تتمتع بمقاومة أفضل للزحف والأكسدة والتآكل من السبائك التقليدية، مع الحفاظ على خصائص ميكانيكية ممتازة حتى في درجات الحرارة المرتفعة. بمعنى ما، فهي بمثابة سبائك عالية الأداء.
تعتمد السبائك الفائقة، شائعة الاستخدام في مكونات محركات توربينات الغاز في صناعة الطيران، على النيكل أو الكوبالت أو الحديد وتوفر خصائص أفضل بكثير من سبائك الفولاذ أو الألومنيوم التقليدية.
في حين أن معظم السبائك التقليدية القائمة على الحديد تبدأ في فقدان قوة مادية كبيرة عند 400 درجة مئوية (سبائك الألومنيوم أقل من ذلك)، فإن العديد من السبائك الفائقة تظهر في الواقع زيادة في القوة بين 750 و 900 درجة مئوية.
لماذا هم مهمون؟
على أساس الرطل الواحد، تكون السبائك الفائقة أكثر تكلفة من الفولاذ أو الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ؛ كما أنها أكثر تعقيدًا في الماكينة والتشكيل بالشكل المطلوب. فلماذا يتم استخدامها على نطاق واسع في بعض التطبيقات؟
مقاومة زحف
الزحف هو وضع فشل مادي يتشوه فيه أحد المكونات عند مستويات ضغط أقل بكثير من قوة الشد النهائية.
عندما تم اكتشافه لأول مرة، كان الكثير معروفًا عن قوة الشد القصوى، والإجهاد/الانفعال، والتعب، ولكن يبدو أن هذه الظاهرة الجديدة تتحدى علم المعادن التقليدي.
بعد اختبارات وتحليلات واسعة النطاق، تم اكتشاف أن الضغط طويل المدى (وإن كان خفيفًا نسبيًا) على الجزء يمكن أن يسبب ما يعرف باسم "التدفق البارد"، حيث يتشوه الجزء من الناحية اللدنية إلى أقل من نصف UTS. لمزيد من المعلومات حول الزحف، راجع مقالتنا.
وقد وجد أيضًا أن الحرارة الصادرة من أي مصدر تسرع الزحف. وهذه مشكلة قد تكون كارثية بالنسبة لمكونات المحركات النفاثة.
تعمل السبائك الفائقة على تمكين أجزاء مثل شفرات التوربينات من العمل تحت قوى الجاذبية الشديدة والحرارة مع الحفاظ على قوتها، والأهم من ذلك، شكلها.
أدى الاختبار طويل الأمد للمواد غير المقاومة للزحف قبل استخدام السبائك الفائقة إلى نتائج مثيرة للاهتمام، حيث تطول شفرات التوربينات أثناء دورانها، مما يتسبب في تداخل مع غلاف المحرك.
مقاومة درجات الحرارة العالية
في تطبيقات مثل محركات الطيران وتوربينات الغاز، تعتبر مقاومة درجات الحرارة العالية أمرًا ضروريًا.
لا يقتصر الأمر على أداء السبائك الفائقة بشكل جيد عند درجات الحرارة المرتفعة فحسب، بل في بعض الحالات يزداد معدل UTS للمادة، مما يسمح بضغوط تشغيل أعلى أو كتلة أقل. هاتان النقطتان مفيدتان لصناعة الطيران.
نظرًا لأن السبائك الفائقة تتمتع بمقاومة أفضل للحرارة من السبائك التقليدية، فقد تم إجراء العديد من التحسينات في تصميم محرك التوربينات النفاثة.
يمكن للتوربينات النفاثة أن تنتج قوة دفع عالية لأنها تضغط الهواء الداخل والوقود. كلما زاد الضغط، زادت الطاقة التي ينتجها المحرك. ومع زيادة الضغط ومعدل الاحتراق، تزداد كمية الحرارة المنتجة.
ولحسن الحظ، تسمح مقاومة الحرارة والزحف للسبائك الفائقة بضغط احتراق أعلى، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى بكثير. كم عدد؟ في الولايات المتحدة وحدها، مع قطع أكثر من 760 مليار ميل جوي للركاب في عام 2019، يمكن أن تعادل الكفاءات الصغيرة توفيرًا كبيرًا في الوقود.
