مواد و ساخت پیشرفته

قوی‌ترین آلیاژ مس-تانتال-لیتیوم توسعه‌یافته تا به امروز، استحکام و پایداری شگفت‌انگیزی را نشان داده است که این امر آن را برای کاربردهای مهندسی پیشرفته ایده‌آل می‌کند.

یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه ایالتی آریزونا، آزمایشگاه تحقیقات ارتش تروریست ایالات متحده (ARL)، دانشگاه لیهای و دانشگاه ایالتی لوئیزیانا یک آلیاژ مس با دمای بالا و استحکام مکانیکی برجسته‌ای توسعه داده‌اند. مطالعه آن‌ها که در مجله ساینس منتشر شده است، آلیاژ نانوکریستالی جدیدی به نام Cu-3Ta-0.5Li را معرفی می‌کند که در برابر رشد دانه‌ها و تغییر شکل کرپ، حتی در دماهای نزدیک به نقطه ذوب خود، مقاومت استثنایی از خود نشان می‌دهد. کیران سولانکی، استاد در دانشکده مهندسی مواد، حمل‌ونقل و انرژی و یکی از نویسندگان این مطالعه، اظهار داشت: «رویکرد طراحی آلیاژ ما مکانیزم‌های تقویت‌کننده‌ای را شبیه‌سازی می‌کند که در سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل یافت می‌شود.»

نیاز به مواد جدید در صنایع هوافضا و دفاع

مواد جدید به‌ویژه در صنایع هوافضا و دفاع مورد نیاز هستند. برای مثال، استحکام، دوام و مقاومت به گرما برای پروازهای سرعت بالا یا استفاده از سلاح‌ها ضروری است. این نیاز باعث می‌شود که جامعه تحقیقاتی به‌طور مداوم مرزهای فناوری‌های با تاثیر بالا را جابجا کند. سولانکی گفت: «ما باید به‌طور بحرانی فکر کنیم که چگونه می‌توانیم مشکلات مهندسی را به شیوه‌ای متفاوت حل کنیم.»

سوپرآلیاژ مس جدید

آلیاژ جدید به ویژگی‌های برتر خود به دلیل ساختار منحصر به فرد نانومقیاس که شامل رسوب‌های مس-لیتیوم به‌طور دقیق مرتب‌شده است و توسط یک لایه دوتایی غنی از تانتالوم احاطه شده، مدیون است. افزودن دقیق نیم درصد لیتیوم – نه بیشتر و نه کمتر – به سیستم مس-تانتال که قبلاً غیرقابل مخلوط بود، مورفولوژی رسوب را تغییر می‌دهد. این تغییر باعث می‌شود که رسوبات کروی‌شکل در سیستم مس-تانتال به ساختارهای مکعبی پایدار تبدیل شوند که عملکرد حرارتی و مکانیکی را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشند.

چگونه آلیاژ جدید کار می‌کند

آلیاژ جدید به ویژگی‌های برجسته خود به دلیل ساختار نانومقیاس منحصر به فرد خود که شامل رسوب‌های مس-لیتیوم دقیقاً مرتب‌شده است، مدیون است. این تغییر مورفولوژی رسوب باعث می‌شود که رسوبات کروی‌شکل در سیستم مس-تانتال به ساختارهای مکعبی پایدار تبدیل شوند که عملکرد حرارتی و مکانیکی را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشند.

سولانکی توضیح داد: «و در اینجا، داشتن رسوب مس-لیتیوم با لایه دوتایی پایدار از تانتالوم است که می‌توانیم اثر انگشت دمایی برای شکست را تغییر دهیم.»

یافته‌های کلیدی از تحقیق این سوپرآلیاژ مس:

• پایداری حرارتی بالا: آلیاژ Cu-3Ta-0.5Li در دمای 800 درجه سانتی‌گراد برای بیش از 10,000 ساعت پایدار می‌ماند، با کاهش حداقل در استحکام تسلیم.
• استحکام دمای بالا: آلیاژ از آلیاژهای تجاری مس موجود پیشی می‌گیرد و در دمای اتاق استحکام تسلیم 1120 مگاپاسکال را به دست می‌آورد.
• مقاومت فوق‌العاده در برابر کرپ: Cu-Ta-Li تغییر شکل کرپ بسیار کمتری نسبت به آلیاژهای مس-تانتال معمولی نشان می‌دهد، که آن را برای محیط‌های با تنش و دمای بالا ایده‌آل می‌کند.

کاربردها و تاثیرات آینده

این کشف افق‌های جدیدی برای توسعه آلیاژهای مس نسل بعدی برای کاربردهایی در صنایع هوافضا، انرژی و دفاع باز می‌کند. کاربردهای احتمالی شامل مبدل‌های حرارتی، قطعات الکتریکی با عملکرد بالا، سلاح‌ها و مواد ساختاری است که نیاز به دوام در شرایط شدید دارند. کریس دارلینگ، یکی دیگر از نویسندگان این مطالعه از ARL گفت: «این تحقیق نه تنها درک ما از طراحی آلیاژ را پیش می‌برد، بلکه راه را برای مواد جدیدی هموار می‌کند که می‌توانند در برابر محیط‌های شدید مقاومت کنند.»

منبع: "A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates" توسط B. C. Hornbuckle، J. A. Smeltzer، S. Sharma، S. Nagar، C. J. Marvel، P. R. Cantwell، M. P. Harmer، K. Solanki و K. A. Darling، 27 مارس 2025، Science. DOI: 10.1126/science.adr0299