سبيكة التنتالوم-التنغستن في ظروف درجات الحرارة العالية

مقدمة

لعبت السبائك تاريخيًا دورًا محوريًا في تعزيز العمليات الصناعية. وتكتسب سبيكة التنتالوم-التنغستن أهمية خاصة بسبب مقاومتها للحرارة وطول عمرها.

وتتألف السبيكة التي نناقشها هنا من معدنين صلبين ذوي درجة انصهار عالية. ويُعرف التنتالوم بمقاومته العالية للتآكل والليونة في درجات الحرارة العالية. ويمتلك التنغستن إحدى أعلى درجات الانصهار بين المعادن. ويشكلان معاً سبيكة قادرة على تحمل درجات الحرارة التي لا تستطيع السبائك الأخرى تحملها.

سبيكة التنتالوم-التنجستن لبيئات درجات الحرارة العالية

تؤدي سبيكة التنتالوم-التنجستن أداءً رائعًا تحت درجات الحرارة القصوى. تتسم السبيكة بالصلابة التي تزيد عن 1500 درجة مئوية. في جميع الاختبارات باستثناء اختبار واحد، احتفظت هذه المادة بشكلها عندما انصهرت أو تشوهت المعادن الأخرى. السبيكة مقاومة للتمدد الحراري. وهذا يعني أنه عندما ترتفع درجة الحرارة، لا تتسع أكثر من اللازم. تساعد هذه الميزة في الحفاظ على ثبات الأبعاد في ظل تطبيقات درجات الحرارة المرتفعة.

تُظهر معلومات الاختبارات المعملية المحددة أن السبيكة تحتفظ بخصائصها الميكانيكية بعد فترات طويلة من التعرض للحرارة. وقد أظهرت الاختبارات احتفاظها بقوة الشد بنسبة تتجاوز 70% من قيمة درجة حرارة الغرفة حتى عند 1200 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تسمح توصيلها الحراري بتبديد الحرارة بحرية. تقلل هذه الخاصية من خطر البقع الساخنة في المكونات التي تعمل في ظروف الضغط العالي.

وتمنحها البنية المجهرية للسبائك مقاومة الزحف والإجهاد، وهي مشكلات شائعة. يشير الزحف إلى التشوّه الدائم الذي يحدث ببطء بمرور الوقت تحت الضغط في درجات حرارة عالية. وتتميز سبيكة التنتالوم-التنغستن بمقاومة الزحف بشكل استثنائي عند مقارنتها بالمعادن الحرارية الأخرى. ويُعد هذا المعدن مادة مثالية للمكونات التي تتعرض لضغط مستمر داخل الأفران عالية الحرارة أو غرف الاحتراق.

كما أن السبيكة مقاومة للأكسدة. ستؤدي الأكسدة إلى تدمير المواد بسرعة كبيرة في معظم الاستخدامات ذات درجات الحرارة العالية. يقلل الجمع بين التنتالوم والتنغستن من الأكسدة السريعة. تعمل هذه السمة على زيادة العمر التشغيلي للسبيكة. تُستخدم السبيكة عادةً بعد أن تكون قد خضعت للعديد من الاختبارات الصارمة في بيئة معملية مضبوطة تحاكي التطبيقات الواقعية.

تُستخدم في فوهات الصواريخ وشفرات التوربينات ومكونات الأفران عالية الحرارة

استخدم المهندسون هذه السبيكة في العديد من المكونات الرئيسية لمختلف الأنظمة. ويتمثل أحد الاستخدامات الرئيسية في فوهات الصواريخ. تتعرض فوهات الصواريخ لضغط حراري وميكانيكي عالٍ للغاية. يمكن أن تتحمل السبيكة التآكل عندما تخضع لدورات تسخين وتبريد سريعة. توفر السبيكة دقة في الدفع بالإضافة إلى كفاءة المحرك. ويعلّق المهندسون عادةً بأن السبيكة توفر عامل أمان يفتقر إليه معظم المعادن الأخرى.

وتُعدّ شفرات التوربينات في المحركات النفاثة ومحطات الطاقة مجالاً آخر من مجالات الاستخدام. وتتعرض شفرات التوربينات لضغوط طرد مركزي عالية وتعمل في درجات حرارة تقترب من 1000 درجة مئوية. وتسمح سبيكة التنتالوم-التنغستن للشفرات بالحفاظ على هيكلها ومقاومة التعب طوال دورات المحرك المكثفة. وهذا أمر مهم لأن حدوث عطل طفيف في شفرات التوربينات يمكن أن يؤدي إلى تلف كبير ونفقات إصلاح واسعة النطاق. ومن الناحية العملية، أدت مكونات التوربينات المحسنة باستخدام هذه السبيكة إلى مهام عمل أطول وتكاليف صيانة أقل.

كما أن الأجزاء المستخدمة في الأفران ذات درجات الحرارة العالية لها استخدامات مع هذه السبيكة. تحتاج الأفران في العمليات الصناعية، مثل تلك المستخدمة في صهر المعادن أو تصنيع الزجاج، إلى مكونات تتعامل مع الحرارة الزائدة دون التواء أو كسر. كما أن التمدد الحراري المنخفض والخصائص الميكانيكية القوية للسبائك تجعلها مثالية لتصنيع أجزاء الأفران. ويذكر المهندسون أن مكونات الفرن المنتجة باستخدام سبيكة التنتالوم-التنغستن تعمل بشكل متجانس في العديد من دورات التسخين. وتؤدي متانة المادة إلى تقليل عدد مرات إيقاف التصليح، مما يحافظ على استمرارية خط الإنتاج.

في معظم الحالات، يعود الفشل السابق لمكونات الأفران إلى المواد التي لا تتحمل الصدمات الحرارية المتكررة. تقلل السبيكة من حدوث مثل هذه الحالات. كما أن ثباتها على المدى الطويل ومقاومتها للأكسدة يجعلها الخيار المفضل في الظروف الصناعية القاسية.

الخلاصة

باختصار، تُعد سبيكة التنتالوم-التنغستن مادة قيّمة لظروف التشغيل في درجات الحرارة العالية. وتعد مجموعة خصائصها الفريدة من نوعها مميزة للغاية وتضعها في مقدمة المنافسين للتطبيقات الصعبة في مجال الفضاء وتوليد الطاقة والمعالجة الصناعية. لمزيد من منتجات السبائك، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما هي الفائدة الرئيسية لسبائك التنتالوم-التنغستن؟

س: تحافظ على القوة وثبات الأبعاد في درجات الحرارة العالية للغاية.

و: كيف تتعامل السبيكة مع الأكسدة؟

س: تشكّل طبقة أكسيد واقية تبطئ الأكسدة في درجات الحرارة العالية.

س: و: ما هي أكثر استخدامات هذه السبيكة انتشارًا؟

س: تُستخدم على نطاق واسع في فوهات الصواريخ وشفرات التوربينات ومكونات الأفران في درجات الحرارة العالية.