انقلاب در طراحی آلیاژها؛ ساخت نخستین سوپرآلیاژ یکپارچه با معماری اتمی پیوسته

پژوهشگران دانشگاه موناش استرالیا در مطالعه‌ای که در مجله معتبر Science منتشر شده است، از روشی نوین برای تولید نسل جدیدی از آلیاژهای فوق‌مقاوم رونمایی کردند؛ دستاوردی که می‌تواند نگاه مهندسان به طراحی آلیاژها را پس از بیش از یک قرن متحول کند. در این پژوهش، محققان موفق شدند برای نخستین بار یک قطعه بزرگ و پیوسته از آلیاژ آنتروپی بالای دیرگداز (RHEA) تولید کنند. این آلیاژ از عناصر تیتانیوم، هافنیوم، تانتالوم، نیوبیوم و زیرکونیوم تشکیل شده و به دلیل استحکام بسیار بالا و مقاومت فوق‌العاده در شرایط سخت، یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد مهندسی برای صنایع پیشرفته محسوب می‌شود. رویکردی متفاوت در ساخت آلیاژها برخلاف روش‌های رایج متالورژی که بر ذوب کامل فلزات در دماهای بسیار بالا متکی هستند، پژوهشگران از فرآیند گرمادهی کنترل‌شده با دمای پایین‌تر و سرعت آهسته‌تر استفاده کردند. این روش به اتم‌ها فرصت می‌دهد تا به‌صورت طبیعی در کنار یکدیگر آرایش پیدا کنند و ساختاری منظم، پیوسته و تقریباً بدون عیب تشکیل دهند. نتیجه این فرآیند، ایجاد نوعی معماری اتمی پیوسته است؛ ساختاری که در آن فازهای مختلف فلزی به‌جای تشکیل مرزهای ضعیف و ناپیوسته، به شکل یک شبکه سه‌بعدی متصل سازماندهی می‌شوند. چنین آرایشی بسیاری از نقص‌های ریزساختاری رایج در آلیاژهای متداول را حذف می‌کند. استحکامی فراتر از فولاد آزمایش‌های مکانیکی نشان داد این سوپرآلیاژ دارای استحکام تسلیم فشاری بیش از ۲ گیگاپاسکال است و در عین حال شکل‌پذیری (Ductility) خود را نیز حفظ می‌کند؛ ویژگی‌ای که معمولاً در مواد فوق‌مقاوم به‌سختی به دست می‌آید. به زبان ساده، این ماده: حدود دو برابر فولاد استحکام دارد. نزدیک به سه برابر آلومینیوم مقاوم‌تر است. نسبت به همان آلیاژ تولیدشده با روش‌های مرسوم، تقریباً دو برابر استحکام بیشتری از خود نشان می‌دهد. تغییر یک پارادایم صد ساله به گفته پروفسور Jian-Feng Nie، سرپرست این پژوهش، تاکنون توسعه آلیاژها عمدتاً بر ترکیب شیمیایی و روش‌های فرآوری متمرکز بوده است؛ اما این مطالعه نشان می‌دهد نحوه سازمان‌دهی اتم‌ها در حین ساخت می‌تواند به همان اندازه در تعیین خواص نهایی ماده اهمیت داشته باشد. محققان معتقدند اگر این مفهوم برای سایر سامانه‌های آلیاژی نیز قابل پیاده‌سازی باشد، امکان تولید موادی با خواصی فراهم خواهد شد که تاکنون دست‌نیافتنی تصور می‌شد. چشم‌انداز صنعتی این فناوری می‌تواند مسیر تولید نسل جدیدی از قطعات فوق‌مقاوم را در صنایع مختلف هموار کند، از جمله: هوافضا سامانه‌های انرژی صنایع دفاعی ساخت قطعات با مقاومت حرارتی بالا فناوری‌های پیشرفته تولید علاوه بر این، پژوهشگران معتقدند با مهندسی ریزساختار می‌توان بدون افزایش میزان عناصر آلیاژی، به عملکرد مکانیکی بالاتری دست یافت؛ موضوعی که علاوه بر کاهش هزینه تولید، به توسعه آلیاژهای پایدارتر، کارآمدتر و سازگارتر با محیط‌زیست نیز کمک خواهد کرد. این پژوهش حاصل همکاری دانشگاه Monash، Chongqing University و The Ohio State University است و گامی مهم در مسیر توسعه نسل آینده مواد مهندسی پیشرفته به شمار می‌رود.