تُعرف السبائك عالية الحرارة أيضًا باسم سبائك المقاومة الحرارية. وبحسب تركيبها الأساسي، يمكن تقسيم المواد إلى ثلاث فئات: سبائك أساسها الحديد، وسبائك أساسها النيكل، وسبائك أساسها الكروم. أما بحسب طريقة إنتاجها، فيمكن تقسيمها إلى سبائك فائقة مُشكَّلة وسبائك فائقة مصبوبة.
يُعدّ هذا المعدن مادة خام أساسية في مجال صناعة الطيران والفضاء، فهو المادة الرئيسية للأجزاء عالية الحرارة في محركات الطيران والفضاء. ويُستخدم بشكل رئيسي في تصنيع غرف الاحتراق، وشفرات التوربينات، وشفرات التوجيه، وأقراص الضواغط والتوربينات، وعلب التوربينات، وغيرها من الأجزاء. ويتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل بين 600 و1200 درجة مئوية. وتختلف ظروف الإجهاد والبيئة باختلاف الأجزاء المستخدمة. وتوجد متطلبات صارمة للخصائص الميكانيكية والفيزيائية والكيميائية لهذا المعدن، فهو العامل الحاسم في أداء المحرك وموثوقيته وعمره الافتراضي. ولذلك، يُعدّ هذا المعدن من أهم مشاريع البحث في مجالي الطيران والفضاء والدفاع الوطني في الدول المتقدمة.
تتمثل التطبيقات الرئيسية للسبائك الفائقة فيما يلي:
1. سبيكة مقاومة للحرارة العالية لغرفة الاحتراق
تُعدّ غرفة الاحتراق (المعروفة أيضًا بأنبوب اللهب) في محرك التوربينات الطائرة أحد المكونات الرئيسية التي تتعرض لدرجات حرارة عالية. ونظرًا لأن عمليات تذرية الوقود وخلط الزيت والغاز وغيرها تتم داخل غرفة الاحتراق، فقد تصل درجة الحرارة القصوى فيها إلى ما بين 1500 و2000 درجة مئوية، بينما قد تصل درجة حرارة جدرانها إلى 1100 درجة مئوية. وفي الوقت نفسه، تتعرض الغرفة لإجهاد حراري وإجهاد غازي. تستخدم معظم المحركات ذات نسبة الدفع إلى الوزن العالية غرف احتراق حلقية، تتميز بقصر طولها وسعتها الحرارية العالية. تصل درجة الحرارة القصوى داخل غرفة الاحتراق إلى 2000 درجة مئوية، بينما تصل درجة حرارة الجدران إلى 1150 درجة مئوية بعد التبريد بواسطة طبقة غازية أو بخار. وتؤدي التدرجات الحرارية الكبيرة بين الأجزاء المختلفة إلى توليد إجهاد حراري، يرتفع وينخفض بشكل حاد مع تغير حالة التشغيل. ستتعرض المادة للصدمات الحرارية وأحمال الإجهاد الحراري، مما قد يؤدي إلى تشوهها وتشققاتها وعيوب أخرى. عادةً ما تُصنع غرفة الاحتراق من صفائح معدنية، وتتلخص المتطلبات الفنية فيما يلي وفقًا لظروف تشغيل الأجزاء المختلفة: تتمتع بمقاومة معينة للأكسدة والتآكل الغازي في ظل استخدام سبائك وغازات ذات درجات حرارة عالية؛ تتمتع بقوة تحمل فورية ومتانة، وأداء جيد في مقاومة الإجهاد الحراري، ومعامل تمدد منخفض؛ تتمتع بلدونة كافية وقابلية جيدة للحام لضمان سهولة المعالجة والتشكيل والربط؛ تتمتع بثبات بنيوي جيد في ظل دورات حرارية لضمان التشغيل الموثوق طوال فترة الخدمة.
أ. رقائق مسامية من سبيكة MA956
في المراحل الأولى، صُنعت الصفائح المسامية من سبيكة HS-188 بتقنية اللحام الانتشارى بعد تصويرها وحفرها وتخديدها وتثقيبها. ويمكن تحويل الطبقة الداخلية إلى قناة تبريد مثالية وفقًا لمتطلبات التصميم. لا يحتاج هذا النوع من التبريد إلا إلى 30% من غاز التبريد المستخدم في التبريد التقليدي بالأغشية الرقيقة، مما يُحسّن كفاءة الدورة الحرارية للمحرك، ويُقلل من قدرة تحمل الحرارة الفعلية لمادة غرفة الاحتراق، ويُخفّض الوزن، ويزيد من نسبة الدفع إلى الوزن. حاليًا، لا يزال من الضروري تطوير التقنية الأساسية قبل تطبيقها عمليًا. أما الصفائح المسامية المصنوعة من MA956 فهي جيل جديد من مواد غرف الاحتراق، طُرحت في الولايات المتحدة، ويمكن استخدامها عند درجة حرارة 1300 درجة مئوية.
ب. استخدام المركبات الخزفية في غرفة الاحتراق
بدأت الولايات المتحدة الأمريكية منذ عام 1971 في التحقق من جدوى استخدام السيراميك في التوربينات الغازية. وفي عام 1983، وضعت بعض المجموعات العاملة في مجال تطوير المواد المتقدمة في الولايات المتحدة سلسلة من مؤشرات الأداء للتوربينات الغازية المستخدمة في الطائرات المتطورة. وتشمل هذه المؤشرات: رفع درجة حرارة مدخل التوربين إلى 2200 درجة مئوية؛ والتشغيل في ظل ظروف الاحتراق المحسوبة كيميائيًا؛ وخفض الكثافة المطبقة على هذه الأجزاء من 8 غ/سم³ إلى 5 غ/سم³؛ وإلغاء تبريد المكونات. ولتحقيق هذه المتطلبات، شملت المواد المدروسة الجرافيت، والمصفوفة المعدنية، ومركبات المصفوفة السيراميكية، والمركبات بين الفلزية، بالإضافة إلى السيراميك أحادي الطور. وتتميز مركبات المصفوفة السيراميكية (CMC) بالمزايا التالية:
معامل تمدد المواد الخزفية أقل بكثير من معامل تمدد سبائك النيكل، كما أن الطلاء سهل التقشر. يمكن التغلب على عيب التقشر بتصنيع مركبات خزفية مع لباد معدني وسيط، وهو ما يمثل اتجاهًا واعدًا لتطوير مواد غرف الاحتراق. يمكن استخدام هذه المادة مع هواء تبريد بنسبة 10-20%، وتبلغ درجة حرارة العزل المعدني الخلفي حوالي 800 درجة مئوية فقط، وهي درجة حرارة تحمل حرارة أقل بكثير من تلك المستخدمة في التبريد المتباعد والتبريد الفيلمي. تُستخدم بلاطة واقية من سبيكة فائقة الصب B1900 مع طلاء خزفي في محرك V2500، ويتجه التطوير نحو استبدال بلاطة B1900 (مع الطلاء الخزفي) بمركب قائم على كربيد السيليكون أو مركب كربون/كربون مضاد للأكسدة. يُعد المركب الخزفي مادة واعدة لغرف احتراق المحركات ذات نسبة دفع إلى وزن تتراوح بين 15 و20، وتتراوح درجة حرارة تشغيله بين 1538 و1650 درجة مئوية. يُستخدم هذا المركب في أنابيب اللهب والجدران العائمة وغرفة الاحتراق اللاحق.
2. سبيكة مقاومة للحرارة العالية للتوربينات
تُعدّ شفرة توربين محرك الطائرة من أكثر المكونات التي تتحمل أقسى درجات الحرارة وظروف التشغيل في المحرك. فهي تتحمل إجهادًا كبيرًا ومعقدًا للغاية تحت درجات حرارة عالية، لذا فإن متطلبات المواد المستخدمة فيها صارمة للغاية. وتنقسم السبائك الفائقة المستخدمة في شفرات توربينات محركات الطائرات إلى:
أ. سبيكة عالية الحرارة للدليل
يُعدّ الموجّه أحد أكثر أجزاء محرك التوربين تأثراً بالحرارة. فعند حدوث احتراق غير متجانس في غرفة الاحتراق، يزداد الحمل الحراري على ريشة التوجيه في المرحلة الأولى، وهو السبب الرئيسي لتلفها. وتزيد درجة حرارة تشغيلها بنحو 100 درجة مئوية عن درجة حرارة ريشة التوربين. ويكمن الفرق في أن الأجزاء الثابتة لا تتعرض لأحمال ميكانيكية. وعادةً ما يكون من السهل أن تُسبب التغيرات السريعة في درجة الحرارة إجهاداً حرارياً، وتشوهاً، وتشققات ناتجة عن الإجهاد الحراري، وحروقاً موضعية. يجب أن تتمتع سبيكة ريشة التوجيه بالخصائص التالية: قوة كافية عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة جيدة للزحف الدائم والإجهاد الحراري، ومقاومة عالية للأكسدة والتآكل الحراري، ومقاومة للإجهاد الحراري والاهتزاز، وقابلية جيدة للانحناء، وقابلية جيدة للتشكيل في عملية الصب واللحام، بالإضافة إلى فعالية عالية في حماية الطلاء.
تستخدم معظم المحركات المتطورة ذات نسبة الدفع إلى الوزن العالية حاليًا شفرات مصبوبة مجوفة، ويتم اختيار سبائك فائقة من النيكل أحادية البلورة وموجهة الاتجاه. تصل درجة حرارة هذه المحركات إلى 1650-1930 درجة مئوية، مما يستلزم حمايتها بطبقة عازلة حرارية. تتجاوز درجة حرارة تشغيل سبيكة الشفرة في ظل ظروف التبريد والحماية بالطلاء 1100 درجة مئوية، الأمر الذي يفرض متطلبات جديدة وأعلى على تكلفة كثافة الحرارة لمادة شفرة التوجيه في المستقبل.
ب. سبائك فائقة لشفرات التوربينات
تُعدّ شفرات التوربينات الأجزاء الدوارة الرئيسية التي تتحمل الحرارة في المحركات النفاثة. وتكون درجة حرارة تشغيلها أقل بمقدار 50 إلى 100 درجة مئوية من شفرات التوجيه. وتتعرض هذه الشفرات لإجهاد طرد مركزي كبير، وإجهاد اهتزازي، وإجهاد حراري، وتآكل بفعل تدفق الهواء، وغيرها من التأثيرات أثناء دورانها، مما يجعل ظروف التشغيل قاسية. ويبلغ العمر الافتراضي للمكونات الساخنة في المحرك ذي نسبة الدفع إلى الوزن العالية أكثر من 2000 ساعة. لذا، يجب أن تتمتع سبيكة شفرات التوربينات بمقاومة عالية للزحف وقوة تمزق عالية عند درجة حرارة التشغيل، وخصائص شاملة جيدة في درجات الحرارة العالية والمتوسطة، مثل مقاومة الإجهاد الدوري العالي والمنخفض، ومقاومة الإجهاد البارد والساخن، وليونة كافية، وصلابة صدمية، وحساسية للتشقق؛ ومقاومة عالية للأكسدة والتآكل؛ وموصلية حرارية جيدة ومعامل تمدد خطي منخفض؛ وأداء جيد في عملية الصب؛ واستقرار هيكلي طويل الأمد، وعدم ترسب طور TCP عند درجة حرارة التشغيل. وتمر السبيكة المستخدمة بأربع مراحل؛ تشمل تطبيقات السبائك المشكلة GH4033 وGH4143 وGH4118 وغيرها؛ أما تطبيقات سبائك الصب فتشمل K403 وK417 وK418 وK405، والذهب المتصلب اتجاهيًا DZ4 وDZ22، وسبائك أحادية البلورة DD3 وDD8 وPW1484 وغيرها. وقد تطورت هذه السبائك حاليًا إلى الجيل الثالث من السبائك أحادية البلورة. وتُستخدم سبائك DD3 وDD8 الصينية أحادية البلورة في التوربينات ومحركات التوربينات المروحية والمحركات البحرية في الصين على التوالي.
3. سبيكة مقاومة للحرارة العالية لأقراص التوربينات
قرص التوربين هو الجزء الدوار الأكثر تعرضًا للإجهاد في محرك التوربين. تصل درجة حرارة تشغيل حافة عجلة المحرك، عند نسبة دفع إلى وزن تبلغ 8 و10، إلى 650 درجة مئوية و750 درجة مئوية على التوالي، بينما تبلغ درجة حرارة مركز العجلة حوالي 300 درجة مئوية، مع وجود فرق كبير في درجات الحرارة. أثناء الدوران العادي، يدفع القرص الشفرة للدوران بسرعة عالية ويتحمل أقصى قوة طرد مركزي وإجهاد حراري وإجهاد اهتزازي. كل عملية بدء وتوقف تُعتبر دورة، ويتحمل مركز العجلة، والحلق، وقاع الأخدود، والحافة إجهادات مركبة مختلفة. يجب أن تتمتع السبيكة بأعلى مقاومة للشد، ومقاومة للصدمات، وعدم تأثرها بالشقوق عند درجة حرارة التشغيل؛ ومعامل تمدد خطي منخفض؛ ومقاومة معينة للأكسدة والتآكل؛ وأداء قطع جيد.
4. سبيكة فائقة في صناعة الطيران
تُستخدم السبيكة الفائقة في محرك الصاروخ السائل كلوحة حقن الوقود في غرفة الاحتراق داخل غرفة الدفع؛ وكوع مضخة التوربين، والشفة، ومثبت الدفة المصنوع من الجرافيت، وما إلى ذلك. كما تُستخدم سبيكة عالية الحرارة في محرك الصاروخ السائل كلوحة حقن الوقود في غرفة الدفع؛ وكوع مضخة التوربين، والشفة، ومثبت الدفة المصنوع من الجرافيت، وما إلى ذلك. وتُستخدم سبيكة GH4169 كمادة لدوار التوربين، والعمود، وجلبة العمود، والمثبتات، وأجزاء المحامل المهمة الأخرى.
تشمل مواد دوار التوربين في محرك الصاروخ السائل الأمريكي بشكل أساسي أنبوب السحب، وشفرة التوربين، والقرص. يُستخدم سبيكة GH1131 بكثرة في الصين، وتعتمد شفرة التوربين على درجة حرارة التشغيل. يُنصح باستخدام Inconel x، وAloy713c، وAstroloy، وMar-M246 بالتتابع. أما مواد قرص العجلة فتشمل Inconel 718، وWaspaloy، وغيرها. تُستخدم توربينات GH4169 وGH4141 المتكاملة بكثرة، بينما يُستخدم GH2038A لعمود المحرك.