بمرور حدود الخدمة عند 500 درجة مئوية، تم تطوير نوع جديد من سبائك الألومنيوم المقاوم للحرارة للتصنيع الإضافي بنجاح.
August 5, 2026
في الآونة الأخيرة، تعاون فريق سبائك الألومنيوم المقاوم للحرارة العالية التابع للمختبر الوطني الرئيسي لقوة المواد المعدنية بجامعة شيان جياوتونغ مع جامعة شنغهاي جياو تونغ وجامعة غرونوبل في فرنسا لمعالجة مشكلة البحث بشكل مشترك. لقد حققوا تقدمًا كبيرًا في دراسة سبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة العالية والقوة العالية عند مستويات 500 درجة مئوية باستخدام طرق التصنيع المضافة. اقترح فريق البحث استراتيجية تصميم جديدة تسمى "الاستقرار الحراري المزدوج المتشابك"، مما يسمح لنوعين من الجسيمات النانوية المقاومة للحرارة العالية بالنمو في أزواج و"قفل" بعضهما البعض داخل مساحة ثلاثية الأبعاد، مما يحقق تأثير استقرار تنظيمي عالي الحرارة أكبر من مجموع أجزائه (1+1>2). ونشرت نتائج البحوث ذات الصلة في "مواد اليوم".
استخدم فريق البحث تأثير الاحتفاظ المذاب للتصلب غير المتوازن في التصنيع الإضافي، عن طريق إضافة كميات ضئيلة من عناصر السكانديوم والزركونيوم، لتشكيل هيكل نانو غير متبلور كثيف من الألومنيوم والفاناديوم والسكانديوم والزركونيوم (Al-V-Sc-Zr) حول هيكل يشبه خلية الوحدة؛ بعد معالجة حرارية قصيرة تبلغ 400 درجة مئوية، حدث تحول في مرحلة الاقتران في الموقع بين البنية الخلوية والبنية غير المتبلورة المحيطة بها، والتي يهيمن عليها انتشار ذرات V. تم دمج المرحلتين بإحكام وتوزيعهما في أزواج، لتشكل مرحلة راسب نانوية مركبة. وصل الجزء الإجمالي للحجم إلى حوالي 37.7%، بمتوسط حجم 56 نانومتر فقط. كان المحتوى ودرجة الصقل لمرحلة الترسيب أعلى بكثير من تلك الخاصة بسبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة التقليدية والمحضرة بالعملية.
أصبح الطلب على مؤشرات الأداء المزدوجة للمواد الهيكلية خفيفة الوزن وقدرة الخدمة في درجات الحرارة العالية، والتي عادة ما يكون من الصعب تحقيقها في وقت واحد في المجالات الرئيسية مثل الفضاء والطاقة المتقدمة وتصنيع المعدات المتطورة، أمرًا ملحًا بشكل متزايد. تعد سبائك الألومنيوم خفيفة الوزن وعالية القوة والمقاومة للحرارة إحدى المواد الأساسية المرشحة لتحقيق تقليل الوزن الهيكلي. في السنوات الأخيرة، أصبحت سبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة نقطة بحثية ساخنة في الصناعة، وتم تطوير أنواع جديدة من مواد سبائك الألومنيوم مع درجة حرارة خدمة تتجاوز 200 درجة مئوية تدريجيًا. اقترح الفريق استراتيجية تصميم لاقتران ذرات المذابة سريعة الانتشار مع الذرات بطيئة الانتشار، وقاموا بتطوير سلسلة من سبائك الألومنيوم عالية القوة المقاومة للحرارة عند درجات حرارة تتراوح من 300 إلى 400 درجة مئوية، وحققوا اختراقات في التطبيقات الهندسية.
لتلبية متطلبات درجات الحرارة الأعلى، تم التعرف على 500 درجة مئوية (حوالي 0.83 Tm، حيث Tm هي درجة حرارة نقطة الانصهار المطلقة) باعتبارها درجة حرارة السقف التي لا يمكن التغلب عليها لسبائك الألومنيوم في الخدمة - وهذا يعني أن المناطق ذات درجة الحرارة المرتفعة مثل تلك المحيطة بالمحرك لا يمكنها سوى استخدام سبائك التيتانيوم الأكثر كثافة أو السبائك عالية الحرارة حتى الآن، ولا يمكن استغلال إمكانية تقليل الوزن بشكل أكبر. ستكون سبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة بدرجة 500 درجة مئوية بمثابة مادة مدمرة واختراق تكنولوجي في مجال سبائك الألومنيوم.
وكشف البحث أيضًا أن هذا الهيكل التكافلي ثنائي الطور قد شكل تأثيرًا فريدًا من نوعه "لتقييد النمو المتبادل": فالواجهات بين جسيمات الطور النانوي متشابكة بشكل متبادل، مما يمنع من المنظور الديناميكي خشونة المرحلة المترسبة بسبب درجة الحرارة العالية. تختلف آلية التثبيت هذه القائمة على القيود الديناميكية عن الأفكار التقليدية لتحقيق الاستقرار الذي يهيمن عليه الديناميكا الحرارية مثل الفصل المذاب في الواجهة وتعزيز طاقة الروابط الشبكية. إنه يمنح المرحلة المرسبة المركبة قدرة غير مسبوقة على مقاومة التخشن. لقد أدى الاستقرار الحراري الاستثنائي للبنية المجهرية إلى إحداث اختراق في الخواص الميكانيكية لدرجات الحرارة العالية. تتمتع هذه السبيكة بقوة شد تصل إلى 230 ميجا باسكال عند 400 درجة مئوية ولا تزال تحافظ على قوة عالية تبلغ حوالي 120 ميجا باسكال عند 500 درجة مئوية، متجاوزة بشكل كبير مستويات القوة العالية في درجات الحرارة لسبائك الألومنيوم المصبوبة والتصنيعية المضافة. إن القدرة على مقاومة التشوه البطيء على المدى الطويل (معدل زحف الحالة الثابتة) عند 400 درجة مئوية و500 درجة مئوية أعلى بمقدار 2-3 مرات من قدرة سبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة الموجودة. إن مقاومة الزحف عند 500 درجة مئوية تتفوق على أداء معظم سبائك الألومنيوم التقليدية المقاومة للحرارة عند 400 درجة مئوية.
هذا البحث هو الأول من نوعه الذي يرفع درجة حرارة الخدمة لسبائك الألومنيوم المُصنّعة بشكل مضاف مع تشكيل شبه شبكي (نتائج الطباعة قريبة من الشكل النهائي للجزء ولا تتطلب أي معالجة إضافية تقريبًا) إلى نطاق 500 درجة مئوية. لقد كسر التصور التقليدي القائل بأن "سبائك الألومنيوم ذات درجة الحرارة العالية والقوة العالية لا يمكن أن تتجاوز حد الخدمة البالغ 500 درجة مئوية"، مما يوفر نموذجًا جديدًا "لتثبيت القيود الديناميكية" لتصميم الهياكل المجهرية ذات درجة الحرارة العالية للسبائك الخفيفة. ومن المتوقع أن يحقق انخفاضًا كبيرًا في الوزن وتحسينًا في كفاءة استخدام الطاقة في المكونات الهيكلية الفضائية ذات درجة الحرارة العالية وأجزاء التبادل الحراري لمعدات الطاقة الجديدة، وما إلى ذلك.
