در صنایع اعم از هوافضا تا تولید انرژی ، توانایی مقاومت در برابر گرمای شدید یک نیاز اساسی برای مواد است. هنگامی که درجه حرارت در موتورهای موشکی ، کوره های صنعتی یا راکتورهای هسته ای فقط چند فلز انتخابی افزایش می یابد ، می توانند یکپارچگی ساختاری خود را حفظ کنند. در میان اینها ، تنگستن به عنوان فلزی مناسب برای تحمل گرمای شدید مناسب است ، اما سایر فلزات و آلیاژها نیز در کاربردهای درجه حرارت بالا نقش اساسی دارند.
تعریف "گرمای شدید" برای فلزات
برای فلزات ، "گرمای شدید" به طور معمول به دمای بالاتر از 1000 درجه F (538 درجه) اشاره دارد ، جایی که بیشتر فلزات مانند فولاد یا آلومینیوم شروع به نرم شدن می کنند ، استحکام کششی را از دست می دهند یا حتی ذوب می شوند. خصوصیات کلیدی که توانایی یک فلز را برای مقاومت در برابر چنین گرما تعیین می کند شامل موارد زیر است:
نقطه ذوب: دمایی که یک فلز از جامد به مایع منتقل می شود. یک نقطه ذوب بالاتر به این معنی است که فلز می تواند در دمای شدید در برابر ذوب شدن مقاومت کند.
ثبات حرارتی: توانایی حفظ خصوصیات مکانیکی (مانند استحکام و سختی) در هنگام قرار گرفتن در معرض گرمای طولانی مدت.
مقاومت اکسیداسیون: توانایی مقاومت در برابر واکنش با اکسیژن در دماهای بالا ، که می تواند باعث خوردگی یا تخریب شود.
فلزاتی که در این مناطق برتری دارند ، گزینه های استفاده برای برنامه های گرمای شدید هستند.
تنگستن: قهرمان نقاط ذوب بالا
تنگستن به لطف نقطه ذوب فوق العاده آن از 6،192 درجه F (3،422 درجه)-بالاترین از همه فلزات طبیعی که به طور طبیعی وجود دارد ، از هر فلز خالص دیگر بی نظیر است. این بیش از سه برابر نقطه ذوب فولاد (حدود 2500 درجه F/1،371 درجه) و بیش از پنج برابر آلومینیوم (1،221 درجه F/660 درجه) است.
فراتر از نقطه ذوب آن ، تنگستن قدرت خود را در دماهای بالا حفظ می کند. حتی در 2،000 درجه فارنهایت (1،093 درجه) ، حدود 50 ٪ از مقاومت کششی دمای اتاق خود را حفظ می کند ، و آن را برای کاربردهایی که یکپارچگی ساختاری تحت گرما بسیار مهم است ، ایده آل می کند.
با این حال ، تنگستن در گرمای شدید محدودیت هایی دارد. در حالی که در برابر ذوب شدن مقاومت می کند ، در صورت عدم محافظت ، می تواند در دمای بالاتر از 600 درجه F (316 درجه) واکنش نشان دهد (با اکسیژن واکنش نشان دهد). این بدان معناست که اغلب به یک پوشش محافظ احتیاج دارد یا باید در محیط های بی اثر (مانند اتاق های خلاء یا گاز پر شده) مورد استفاده قرار گیرد تا از تخریب جلوگیری شود.
سایر فلزات و آلیاژهای مقاوم در برابر گرما
در حالی که تنگستن به نقطه ذوب منتهی می شود ، سایر فلزات و آلیاژها برای سناریوهای خاص درجه حرارت بالا مناسب تر هستند ، اغلب به دلیل تعادل مقاومت در برابر گرما ، مقاومت به اکسیداسیون و قدرت مکانیکی:
مولیبدن: با نقطه ذوب 4،753 درجه F (2،623 درجه) ، مولیبدن دومین - بالاترین فلز خالص ذوب است. این قدرت را در دماهای تا 2000 درجه فارنهایت (1،093 درجه) حفظ می کند و از تنگستن انعطاف پذیر تر است و ماشین را آسان تر می کند. از آن در اجزای کوره ، تماس های برقی و قطعات هوافضا استفاده می شود. مانند تنگستن ، در دماهای بالا اکسیده می شود و نیاز به محافظت در محیط های غنی از اکسیژن دارد.
Tantalum: Tantalum دارای نقطه ذوب 5،463 درجه F (2،996 درجه) و مقاومت در برابر خوردگی عالی ، حتی در دماهای بالا است. این ماده در تجهیزات پردازش شیمیایی ، راکتورهای هسته ای و به عنوان یک پوشش برای نازل موشک استفاده می شود. توانایی آن در مقاومت در برابر گرما و حمله شیمیایی ، آن را در محیط های سخت و درجه حرارت بالا ارزشمند می کند.
SuperAlloys مبتنی بر نیکل: آلیاژهای مانند Inconel یا Hastelloy فلزات خالص نیستند بلکه ترکیبی از نیکل ، کروم و سایر عناصر هستند. آنها نقاط ذوب فوق العاده بالا از تنگستن یا مولیبدن (نقاط ذوب در حدود 2،300-2،500 درجه F/1،260-1،370 درجه) ندارند ، اما در پایداری حرارتی و مقاومت در برابر اکسیداسیون برتری دارند. به عنوان مثال ، Inconel می تواند به طور مداوم در دمای تا 2000 درجه F (1،093 درجه) بدون تخریب قابل توجه فعالیت کند و آن را به عنوان اصلی در موتورهای جت ، توربین های گازی و آستر کوره تبدیل کند.
Chromium: Chromium دارای نقطه ذوب 3،465 درجه F (1،907 درجه) است و هنگام گرم شدن یک لایه اکسید محافظ بر روی سطح آن تشکیل می دهد و از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. برای بهبود گرما و مقاومت در برابر خوردگی ، اغلب به آلیاژهای فولادی (مانند فولاد ضد زنگ) اضافه می شود.
Rhenium: یک فلز نادر با نقطه ذوب 5،767 درجه F (3،186 درجه)-ثانیه فقط به تنگستن-IT اغلب با تنگستن یا مولیبدن برای بهبود انعطاف پذیری و مقاومت در برابر اکسیداسیون آلیاژ می شود. آلیاژهای تنگستن در موشک و سنسورهای درجه حرارت بالا ، که در آن به مقاومت گرما و دوام مورد نیاز است ، استفاده می شود.
کاربردهای فلزات مقاوم در برابر گرما
انتخاب فلز به خواسته های خاص برنامه بستگی دارد:
هوافضا و دفاع: نازل های موشک و اجزای موتور جت به تنگستن (برای گرمای شدید هنگام پرتاب) و سوپر آلوهای مبتنی بر نیکل (برای دمای پایدار در هسته های موتور) متکی هستند. تنگستن همچنین در مهمات زره پوش زره پوش استفاده می شود ، جایی که اصطکاک گرمای شدید ایجاد می کند.
تولید انرژی: در نیروگاه های هسته ای ، مولیبدن و تانتالوم در اجزای راکتور استفاده می شود که باید در برابر اشعه و درجه حرارت بالا مقاومت کنند. در نیروگاه های حرارتی خورشیدی ، آلیاژهای مقاوم در برابر گرما ، گرما را از نور غلیظ خورشید ضبط و انتقال می دهند.
تولید صنعتی: عناصر گرمایشی کوره اغلب از تنگستن یا مولیبدن (در جوهای بی اثر) استفاده می کنند تا به دمای بالاتر از 2000 درجه فارنهایت F. برسند.
الکترونیک: رشته های تنگستن در لامپ های رشته ای و لوله های اشعه X از نقطه ذوب بالا خود برای درخشش بدون ذوب استفاده می کنند. مولیبدن در مخاطبین الکتریکی برای سوئیچ های درجه حرارت بالا استفاده می شود.
چگونه می توان مقاومت در برابر حرارت فلز را تقویت کرد
حتی فلزات مقاوم در برابر گرما نیز می توانند برای شرایط شدید بهبود یابد:
آلیاژ: مخلوط کردن فلزات (به عنوان مثال ، تنگستن با رنیوم یا نیکل با کروم) می تواند مقاومت حرارتی ، انعطاف پذیری یا مقاومت در برابر اکسیداسیون را تقویت کند. به عنوان مثال ، اضافه کردن 5-10 ٪ رنیوم به تنگستن باعث کاهش شکنندگی آن در دماهای بالا می شود.
روکش ها: روکش های سرامیکی (مانند زیرکونیا) یا روکش های فلزی (مانند پلاتین) فلزات را از اکسیداسیون در دماهای بالا محافظت می کنند. قطعات تنگستن مورد استفاده در برنامه های در معرض هوا اغلب دارای چنین پوشش هایی هستند.
کنترل محیط زیست: استفاده از فلزات در محیط های گاز بی اثر (به عنوان مثال ، آرگون) یا خلاء از اکسیداسیون جلوگیری می کند و به تنگستن یا مولیبدن اجازه می دهد تا در پتانسیل مقاوم در برابر گرمای کامل خود عمل کنند.
پایان
هنگامی که نوبت به گرمای شدید می رسد ، تنگستن به لطف نقطه ذوب بی نظیر و توانایی حفظ قدرت در دماهای بالا ، رهبر روشن در بین فلزات خالص است. با این حال ، فلزات و آلیاژهای دیگر مانند مولیبدن ، سوپر آلوهای مبتنی بر نیکل و تانتالوم-اکسل در سناریوهای خاص ، به ویژه هنگامی که مقاومت اکسیداسیون یا انعطاف پذیری به اندازه مقاومت در برابر گرما مهم است.
انتخاب فلز به کاربرد بستگی دارد: تنگستن برای بالاترین درجه حرارت در محیط های کنترل شده ، آلیاژهای نیکل برای گرمای پایدار در هوا و مولیبدن یا تانتالوم برای تعادل مقاومت در برابر حرارت و ماشینکاری. با استفاده از این فلزات و فرم های پیشرفته آنها (از طریق آلیاژ یا روکش) ، صنایع می توانند از اکتشافات فضا تا تولید صنعتی خواستار چالش های درجه حرارت بالا شوند.
