محققان آلیاژ چند عنصری جدیدی را کشف کردند که می تواند مصرف انرژی در توربین های گازی را بهبود بخشد

نیوزویز – از زمانی که اولین سفر هوایی تجاری در اوایل دهه 1900 ایجاد شد، سفرهای هوایی به اندازه سوار شدن بر اتوبوس یا ماشین رایج شده است. در واقع روزانه حدود شش میلیون نفر با هواپیما پرواز می کنند. از آنجایی که بسیاری از مردم برای کار و تفریح ​​به سفر با هواپیما متکی هستند، محققان به طور مداوم در حال بهبود فناوری هواپیما هستند.

موتورهای جت بسیار قدرتمند هستند و گرمای زیادی تولید می کنند. مواد مورد استفاده در این محیط های با حرارت فوق العاده بالا، سوپرآلیاژ نامیده می شوند. این فلزات بسیار مقاوم در برابر حرارت معمولاً آلیاژهای مبتنی بر نیکل یا کبالت هستند. آنها می توانند دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد (یا 1832 درجه فارنهایت) را تحمل کنند.

محققان آزمایشگاه ملی ایمز آلیاژ جدیدی را کشف کرده اند که می تواند جایگزین سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل- کبالت در توربین های گازی هم برای هوانوردی و هم برای تولید برق شود. آنها از یک چارچوب محاسباتی استفاده کردند که پایداری، استحکام و شکل پذیری فاز فلز را بر اساس انواع اتم های درگیر پیش بینی می کند. چارچوب می تواند به سرعت هزاران ترکیب مواد را آزمایش کند. این در ابتدا توسط محققان آزمایشگاه ایمز توسعه و تأیید شد.

نیکلاس آرگیبی، دانشمند آزمایشگاه ایمز و رهبر تیم تحقیقاتی، توضیح داد که توربین‌های گازی زمانی کارآمدتر هستند که در دماهای بالاتر، حدود 1400 درجه سانتیگراد (یا 2552 درجه فارنهایت) کار کنند. با توجه به این دماهای عملیاتی بالا، محدودیت های مقاومت حرارتی سوپرآلیاژهای نیکل-کبالت یک عامل محدود کننده در بهبود بهره وری انرژی است.

Argibey گفت: “در حال حاضر ما از خنک کننده و ترفندهای دیگر برای کارکردن این موتورها بسیار داغ استفاده می کنیم، اما در نهایت ما توسط دمای ذوب این مواد محدود شده ایم.” “حدود 9 عنصر وجود دارد که در دماهای بسیار بالاتر از نیکل و کبالت ذوب می شوند و به آنها فلزات نسوز می گویند. دلیل اینکه ما اکنون از این فلزات استفاده نمی کنیم این است که در دماهای پایین شکننده هستند و ساخت و شکل دادن آنها به قطعات دشوار است.”

یک راه حل برای چالش های ناشی از فلزات نسوز، ترکیب آنها به آلیاژهایی با بسیاری از عناصر اساسی است. آلیاژهای چند عنصری بر اساس یک فلز واحد نیستند که همه چیز را در کنار هم نگه دارد، مانند آلیاژهای مبتنی بر نیکل یا کبالت. در عوض، آلیاژهای چند عنصری از سه یا چند عنصر تشکیل شده‌اند که هیچ یک از 50 درصد کل ترکیب را فراتر نمی‌برد.

ارگیبی گفت: “ما متوجه شدیم که ترکیب بسیاری از این عناصر خالص شکننده در مقادیر قابل توجهی ساختارهای اتمی را ایجاد می کند که دارای ویژگی های نوظهور و منحصر به فرد هستند.”

تعیین مواد و مقادیر مناسب هر یک جایی است که چارچوب محاسباتی نقش مهمی ایفا می کند. این چارچوب توسط دو دانشمند آزمایشگاه ایمز به نام‌های پراشانت سینگ و دوان جانسون، که با Argibay در کشف آلیاژ جدید همکاری کردند، توسعه داده شد.

سینگ گفت: “وقتی در مورد بیش از سه عنصر صحبت می کنیم، آنها را با هم ترکیب می کنیم، در مورد میلیون ها ترکیب جستجو صحبت می کنیم، و زمانی که شما این کار را به صورت تصادفی انجام می دهید، زمان زیادی طول می کشد.”

جانسون گفت: “ما یک روش تئوری محور را گردآوری کرده‌ایم که با آزمایش‌ها تعامل دارد. این آزمایش‌گران را در جهت درست برای آلیاژهای جدید با ویژگی‌های خاصی که می‌خواهند در این مواد داشته باشند، راهنمایی می‌کند.”

این آلیاژ چند عنصری جدید نسبت به آلیاژهای مورد استفاده در حال حاضر در برابر تغییر شکل در دماهای بالاتر مقاوم تر است، به این معنی که مواد می توانند در معرض دماهای بسیار بالاتری قرار بگیرند و نیاز به خنک کننده موتور را که باعث اتلاف انرژی می شود، از بین می برد.

این آلیاژ به دلیل ترکیب منحصربفرد خود دارای خواص شکل پذیری لازم نیز می باشد تا برای تولید با استفاده از روش های تجاری تثبیت شده مناسب باشد. به عنوان مثال، می توان آن را در دمای اتاق تغییر شکل داد، مانند نورد سرد و تبدیل به یک ورق. این فرآیند انرژی مورد نیاز برای تولید کلی را کاهش می دهد و به ماده اجازه می دهد تا دوام خود را حفظ کند. سایر فلزات نسوز باید در طول فرآیند تولید، اغلب بالاتر از دمای ذوب فولادها و سوپرآلیاژها گرم شوند و شکل دادن به آنها را بسیار دشوارتر می کند.

آرگیبی، سینگ و جانسون تاکید کردند که اثربخشی چارچوب در ارتباط با کشف موفقیت آمیز آلیاژ چند عنصری جدید چیزی است که این پروژه را مهم می کند. چارچوب چیزی است که می تواند برای اهداف مختلف کشف مواد استفاده شود و در زمان و هزینه صرفه جویی شود. کشف این آلیاژ چند عنصری جدید پیشرفتی در بهبود بهره وری انرژی و هزینه ها برای صنعت هوافضا است و راه را برای پیشرفت بیشتر در مواد و فناوری در زمینه های مرتبط هموار می کند.

آرگیبی گفت: “اگر تیمی را که در آزمایشگاه ایمز داریم، نداشتیم، مطمئن نیستم که مواد را تایید می‌کردیم. موانع زیادی وجود داشت که ما توانستیم از طریق چندین دهه تجربه در زمینه مواد، پردازش، تصفیه و غیره از آنها اجتناب کنیم.” “این برای من یک نکته برجسته شغلی است که چیزی را ببینم، در دنیایی که بر روی هوش مصنوعی و داده های بزرگ و غیره تنظیم شده است، فقط برای اینکه ببینم یک معادله ساده و یک صفحه گسترده به چیزی به قدرتمندی طراحی آلیاژ تبدیل می شود، جایی که ما آن را درست در اولین عکس دریافت می کنیم.”

آزمایشگاه ملی ایمز یکی از خدمات آزمایشگاه ملی علوم وزارت انرژی ایالات متحده است که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.

آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً به https://energy.gov/science مراجعه کنید.