سبائك درجات الحرارة العالية القائمة على النيكل تلعب دورًا مهمًا في صناعات توليد الطيران وتوليد الطاقة ، وخاصة في توربينات الغاز. هذه السبائك ، المعروفة بقوتها ذات درجة حرارة عالية استثنائية ، ومقاومة الأكسدة والتآكل ، والمتانة في ظل ظروف قاسية ، جزء لا يتجزأ من أداء التوربينات الغازية الحديثة. ستستكشف هذه المقالة أهمية السبائك القائمة على النيكل في توربينات الغاز وخصائصها المادية والتطورات المستمرة لتحسين الأداء.

خصائص المواد والتكوين
تتكون سبائك درجات الحرارة العالية القائمة على النيكل بشكل أساسي من النيكل (ni) مع إضافات عناصر مثل الكروم (cr) ، الموليبدينوم (mo) ، الألومنيوم (al) ، التيتانيوم (ti) ، والرينيوم (re). تعزز هذه العناصر خصائص سبيكة القاعدة ، مما يساهم في مقاومة الأكسدة ، وتحسين القوة في درجات حرارة عالية ، ومقاومة تشوه الزحف. تعد قدرة السبائك على الحفاظ على خصائصها الميكانيكية في ظل درجات حرارة عالية أمرًا بالغ الأهمية للتوربينات ، حيث يمكن أن تصل درجات حرارة التشغيل إلى ما يصل إلى 1500 درجة مئوية.

واحدة من الخصائص المميزة لهذه السبائك هي قدرتها على تكوين طبقة أكسيد مستقرة على السطح ، خاصة عندما يكون الكروم والألومنيوم موجودين. تساعد طبقة الأكسيد هذه على منع مزيد من أكسدة المادة وتمتد عمر خدمتها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي إضافة rhenium إلى تحسين قدرة السبائك على مقاومة التعب الحراري والزحف.

قوة درجة الحرارة العالية
قوة درجة الحرارة العالية هي المتطلبات الأساسية للمواد المستخدمة في توربينات الغاز. تظهر السبائك المستندة إلى النيكل مقاومة ملحوظة للزحف والتعب الحراري ، وهما ظاهرة يمكن أن تؤدي إلى تدهور أداء المواد بشكل كبير في درجات حرارة مرتفعة. الزحف هو التشوه البطيء للمادة تحت الإجهاد في درجات حرارة عالية ، في حين أن التعب الحراري ينتج عن ركوب درجات الحرارة أثناء التشغيل ، مما قد يؤدي إلى تكوين الكراك.

تقاوم السبائك المستندة إلى النيكل هذه المشكلات بسبب تقوية الطور المجهرية القوية ، وخاصة وجود تعزيز طور gamma prima (γ '). المرحلة γ 'هي ترسب للنيكل والألمنيوم تقوي السبائك في درجات حرارة مرتفعة عن طريق إعاقة حركة الاضطرابات داخل التركيب البلوري للمادة.

أكسدة ومقاومة التآكل
العمل في البيئة القاسية لتوربينات الغاز يعني أن المواد يجب أن تقاوم الأكسدة والتآكل. في درجات حرارة عالية ، تتعرض شفرات التوربينات والمكونات الأخرى للغازات الساخنة ، والتي يمكن أن تسبب الأكسدة وتشكيل مقياس أكسيد ضار. تعزى مقاومة الأكسدة للسبائك القائمة على النيكل بشكل أساسي إلى وجود الكروم ، الذي يشكل طبقة cr2o3 مستقرة على سطح السبائك. تمنع طبقة الأكسيد هذه المزيد من الأكسدة وتحمي المادة الأساسية من تدهور درجة الحرارة العالية.

علاوة على ذلك ، فإن مقاومة السبائك للكبريتات والكربور وغيرها من أشكال التآكل ضرورية في توربينات الغاز ، والتي تعمل غالبًا في بيئات تحتوي على أنواع الكبريت والكربون التي يمكن أن تحلل المواد الشديدة. من خلال تعديل تكوين السبائك ، يمكن للمهندسين تحسين مقاومتها لهذه الأشكال من التآكل ، مما يجعلها أكثر متانة في ظروف التشغيل الصعبة.

البحث والتطورات الحالية
في حين تم استخدام السبائك القائمة على النيكل بنجاح في توربينات الغاز لعقود من الزمن ، فإن الطلب على التوربينات الأكثر كفاءة مع ارتفاع درجات الحرارة التشغيلية يستمر في زيادة الابتكار في تطوير السبائك. يهدف الجيل التالي من السبائك القائمة على النيكل إلى دفع حدود درجة الحرارة والأداء الميكانيكي إلى أبعد من ذلك. تشمل المجالات الرئيسية للبحث تطور السبائك التي يمكنها تحمل درجات الحرارة التي تتجاوز 1600 درجة مئوية ، والتحسينات في مقاومة الأكسدة ، والتعب بشكل أفضل ومقاومة الزحف.

يستكشف الباحثون أيضًا التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد) كوسيلة لإنتاج هندسة مكونة أكثر تعقيدًا ومحسّنة يمكن أن تعزز أداء توربينات الغاز. يتيح استخدام التقنيات الحسابية المتقدمة ، مثل التعلم الآلي والمحاكاة ، تصميم السبائك ذات الخصائص المصممة خصيصًا.

لا غنى عن سبائك درجات الحرارة المرتفعة القائمة على النيكل في تشغيل توربينات الغاز ، مما يوفر القوة اللازمة ، ومقاومة الأكسدة ، والمتانة اللازمة للتعامل مع الظروف القصوى الموجودة في تطبيقات الطيران وتوليد الطاقة. مع تقدم تكنولوجيا التوربينات ، وكذلك المواد التي تدفعها. إن البحث المستمر في السبائك الجديدة وتقنيات التصنيع يعد بإلغاء تأمين كفاءات وقدرات أكبر للجيل القادم من مكونات درجات الحرارة العالية.