ההשפעה של אלווי גבוה על חומרי גלם של הגנה מפני חום

מה הם אלופים גבוהים?

⁇ גבוהה-entropy (HEAs) מייצג שינוי יסודי בסגסוגת מתכתית. ⁇ מסורתית בנוי סביב אחד או שני אלמנטים עיקריים - ברזל פלדה, ניקל בסופרווזיות, אלומיניום בסגסוגת מטוסים - עם תוספות קטנות של אלמנטים אחרים לסגסוגת חומר אטומית לעתים רחוקות ⁇ (heAs, לעומת זאת, מורכבים מ 5 או יותר אלמנטים עיקריים ביחסים ליד-אקלרים זה עיצוב מתואם של תכונות מרובות של גוף אטומית (B) מורכב בדרך כלל מסגסוגת יחיד (במרכז) עם תכונות קבוע יותר מאשר מקודדות (שלבים) עם תכונות קבועות מורכבות יותר מאשר מקודדות (BCC) מורכב מקודדות) מורכב מקודדות (שלבים מאוד).

הרעיון נחקר לראשונה באופן שיטתי בתחילת שנות ה-2000 על ידי J.W. Yeh וצוותו בטייוואן, ובאופן עצמאי על ידי בריאן קאנטור בבריטניה, העבודה החלופית שלהם הוכיחה כי ⁇ כמו FeCrMnNiCo ( ⁇ Cantor) יכול ליצור פתרונות מוצקים למרות המכילה אלמנטים רבים של סגסוגת אטומית (מכיוון אז, השדה התפוצצה, עם אלפי יצירות עיקריות תחת התנהגות של אטומית-הת-ה-הת-הת-ההשפעה חמורה (האפקטים)

אפקט ה-Entropy

רציונלית תרמודינמית היא פשוטה: ערבוב אלמנטים רבים מגביר את הקונפיגורציה התצורה של המערכת, הורדת האנרגיה החינמית של גיבס של הפתרון המוצק ביחס לזה של שלבים בין-מטאליים המתחרים.עבור סגסוגת שוויונית של חמישה-שותפים, האנטרופיה של ערבוב הוא בערך 1.61R (שם R הוא הגז הקבוע), מספיק כדי לייצב שלב אחד על פני טווח רחב של טמפרטורה הופכת להיות בולטת יותר.

כמה סליחות

כאשר אטומים בגדלים שונים - למשל, טונגסטן גדולה ואלומיניום קטן - חולקים מנוף משותף, הליטייס הופך מעוות מאוד.עיוות זה משבש את תנועת הפירוק, המוביל לעוצמה יוצאת דופן וקשה אפילו בטמפרטורות גבוהות.זה גם משנה תכונות אלקטרוניות ורחום, מה שהופך אותו מבטיח ציפויים תרמיים ומגן חום.

« «Diffusion

בפתרון מוצק אקראי מרוכז, מזהמים דיפוזיה הם בדרך כלל נמוך יותר מאשר מתכות טהורות או ⁇ dilute. המחסומים האנרגטיים עבור קפיצות אטומיות הם גבוהים יותר בגלל סביבות מקומיות שונות.זה דיפוזיה מלוטשת משפר את ההתנגדות המצטפת ואת יציבות בשלב בטמפרטורות גבוהות - הן קריטי עבור חומרי מגן חום כי חייב לשרוד חשיפה ממושכת לחזרה או תנאי טיסה.

אפקט קוקטייל

אולי ההיבט המרגש ביותר: HEAs לעתים קרובות להציג תכונות שאינן רק הממוצעות המכובדות של המרכיבים המרכיבים שלהם.לדוגמה, הוספת אלומיניום לסגסוגת CoCrFeNi יכול לגרום טרנספורמציה שלב מ FCC ל- BCC, להגדיל באופן דרמטי את כוח התשואות. בדומה, שילוב של אלמנטים ריבאונדים (W, Ta, Mo, Nb) יכול לייצר ⁇ עם נקודות מעל פני 2,500 מעלות צלזיוס, גבוה יותר מאשר חומרים מכניים, כלומר, לעומת זאת, כלומר, תכונות מכניות סטנדרטיות, לעומת זאת, לעומת זאת, חומרים מכניות, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, תכונות מכניות יותר מאשר חומרים מכניות יותר מאשר חומרים מכניות, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, קונבנציונליות סטנדרטיות, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, קונבנציונאליות.

מדוע חומרי מגן חום זקוקים לחדשנות

מגינים חום להגן על החללית, כלי רכב היפרוזיים, ואגפות כניסה מחדש מעומסים תרמיים קיצוניים - זמניים יכולים לעלות על 2000 מעלות צלזיוס, עם סביבות חמצון וזרימיות חמורות.חומרים הנוכחיים כוללים מטבוליים פחמן פחמן-פחמן, פולימרים אפוקליפטיים (למשל, phenolic-regnated פחמן מופץ, PICA), וממטריקס (C) בעוד שיש להם חומרים מורכבים.

מגבלות של פחמן-קרבון Composites

פחמן פחמן-פחמן (C / C) מורכב מציעים כוח עתיר מעולה ו מוליכות תרמית, אבל הם חמצון בקלות מעל 400 מעלות צלזיוס אלא אם כן מוגן על ידי ציפויים יקרים של סיליקון פחמימות.תהליך הייצור הוא אנרגיה-רגיש, הדורש מחזורים מרובים של דלקת ריאות כימי הדבקה וגרף.

הגבלות של חומרים blative

חסרונות סופגים חום על ידי pyrolysis ואובדן המוני – באופן משמעותי, הם מקריבים את עצמם.זה מגביל את יכולת הכדאיות שלהם; כל משימה דורשת מגן חדש.הם גם להוסיף מסה משמעותית, צמצום יכולת העומס.עבור טיסה היפרסורית ממושכת (למשל, בדיקת אממונים), לא יכולים לקיים את צורתם, ומוצרים שחיקה שלהם יכולים למזג כלים רגישים.

מגבלות של Ceramic Matrix Composites

CMCs כגון SiC / SiC (סייבר carbide סיבים במטרת סיליקון carbide) הם קלים יותר מאשר Superalloys ויכולים לעמוד בטמפרטורות גבוהות, אבל הם רזים ויקרים לייצר.הם גם סובלים מדלקת חמצון בסביבות של חנק מים עשירות.

⁇ גבוהה-entropy מציג חלופה מבטיחה.היכולת שלהם להיות יצוד, מזויף, ומיוצר באופן תוספתי - בשילוב עם חוסן גבוה בטמפרטורה גבוהה - מציגה אותם כמעמד חומרי מגונן חום משבש.

היתרונות של יישומי מגן חום

התכונות המבנים הייחודיות של HEAs מתרגמים לכמה יתרונות הנדסיים אשר ישירות לטפל בחסרונות של חומרי מגן חום מסורתיים.

קיבולת גבוהה - High-Temperature Stability

רבים HEAs, במיוחד הסוג השבוי (RHEAs), לשמור על הכוח המכאני שלהם הרבה מעבר נקודות ההמיסה של superalloys מבוסס ניקל.לדוגמה, סגסוגת השוויונית WTaMoNbV יש נקודה נמסת המוערך ביותר מ 2800 מעלות צלזיוס ושומר על תשואות של מעל 400 MPa ב 1600 מעלות צלזיוס - הרבה מעל Inconel 718, אשר מרכך במהירות מעל 650 מעלות צלזיוס, 000 חומרים מחוספסת כבדות, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זה יכול לסבול את הפחתת חומרים מחוספסה קשה, 000 זה, 000 לחץ על פני פיזור חום זה, 000.

Oxidation and Corrosion Resistance

בעוד שלא כל HEAs הם חמצון-resistant, יצירות המכילות אלומיניום, כרום וסיליקון יכול ליצור סולמות תחמוצת הגנה (Al2O3, Cr2O3, SiO2) כי הם יציבים בטמפרטורות גבוהות.אפקט הקוקטייל ניתן לרתום כדי לעצב ⁇ s כי צורה איטי, עלייה חדה, למשל, מחקרים אחרונים על AlCoCN הראו כי הם בעלי תפקוד גבוה יותר עבור כלי רכב גמישים, 000 C.

כוח מכני גבוה ואומץ

הוא מציג שילוב של כוח ודקטיות נדירים בחומרים עתיריים גבוהים. ⁇ Cantor (CoCrFeMnNi) מראה כוח רב-עוצמה מוחלט של -1 GPa בטמפרטורת החדר ושומר על דיקטיות למטה כדי טמפרטורות Cryogenic. Recorfracfracfracfracfracfractory הוא, אם כי לעתים קרובות מתפתל בטמפרטורות נמוכות, יכול להיות קשה על ידי הוספת שלבים דוקטריליים כמו Ti או Zr, יתר על ידי גירוי, יתר על ידי גירוי חום.

משקל אור פוטנציאלי

רבים HEAs הם צפופים יותר מאשר Ni-based Superalloys (למשל, סגסוגת ריבונית יכול לעלות על 13 g / ס"מ3), אבל בחירת הרכב זהיר יכול להניב חלופות קלות יותר. לדוגמה, Al20Mg10Sc20Ti30Zr20 (סגסוגת אולטרה גבוהה נצפית) מציג צפיפות של רק 4.2 / ס"מ3 עם כוח עתיר גבוה.

תכונות irmal Properties

מוליכות תרמית והתרחבות תרמית coefficient של HEAs יכול להיות מותאם על ידי מגוון הרכב. עבור מגן חום, מוליכות תרמית נמוכה יכול לפעול כמחסום תרמי, בעוד coefficients הגדלה להפחית מתח תרמי בממשקים עם רכיבים מבניים. לאחרונה על (FeCoNiCr) 90Al10 מראה ערכים התנהגותיים דומים נירוסטה (15 W/mK), אבל עם היכולת לעבור למגוון רחב יותר עבור אלמנטים רגילים כמו שכבות כגון Hf.

חידושים אחרונים וקרנות מחקר

בחמש השנים האחרונות ראו האצה של מחקר HEA שמטרתו לקליטת מגן חום.כמה דרכים מבטיחות הופיעו.

אופטימיזציה של High- Throughput Screen

שיטות מקבילות כגון תיאוריית פונקציונליות צפיפות (DFT) ולמידה מכונה משמשים כעת כדי לחקור את המרחב העצום של הקומפוזיציה של HAs. חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, השתמש באלגוריתם למידה פעיל כדי לזהות התחדשות חדשה של HEAs עם תכונות תרמומכאיות אופטימיזציה. מועמד אחד, NbTaZrHf, הראה עמידות מוגברת לאחר תוספות קטנות של חומרים Siua וטכניקות אלה הוכחו באופן דרסטי של סגסוגת 1F.

ייצור של HEA Heat Shield Components

אבקת לייזר היתוך (L-PBF) והגדרת אנרגיה מכוונת (DED) מאפשר ייצור של חלקים מורכבים, ליד-net-shape HEA אשר יהיה בלתי אפשרי להטיל או מכונה.לדוגמה, חוקרים במרכז המחקר גלן של נאס"א הודפסו בהצלחה לוחות חום CoCrFeMnNi עם ערוצי קירור פנימיים.

Refractory High-Entropy Alloys עם מצוינות יוצאת דופן

בין ה- HEAs בעל החום ביותר הם אלה המורכבים מקבוצות IV-VI: W, Ta, Mo, Nb, Hf, Zr, Ti, V. A ידוע הוא NbMoTaW, אשר שומרת על כוח דחוס מעל 1 GPa ב 1200 מעלות צלזיוס, עם זאת, ⁇ אלה סובלים לעתים קרובות מהתנגדות חמצון גרועה.

שלב יכולת והנדסת מיקרו-תרבות

לא כל HEAs נשאר חד-פעמי בטמפרטורות גבוהות; חלק מהם מתפוגגים לשלבים מרובים, אשר יכול להיות מועיל או מזיק.חוקרים לומדים לשלוט במשקעים של intermetallics בקנה מידה ננומטר (למשל, L12 הורה שלבים) כדי להגביר את ההתנגדות המצטפת.על ידי התאמת העיבוד התרמכאי, קבוצות במכון המחקר מקס פלאנק עבור ברזל יצרו עם microarchical microCreic כי יש לשמור על עיצובים ישירות על ידי חימום.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות ההבטחה שלהם, יש להתגבר על כמה מחסומים לפני שהוא הופך לחומרי מגן חום סטנדרטיים.

עלויות הייצור ו-Salability

רבים מכילים אלמנטים יקרים כגון Co, Hf, Ta, W, ו- נדירים האדמהs.העלות של חומרי גלם אלה יכול להיות 10 עד מאה פעמים של ניקל, ברזל, ואלומיניום המשמש בסגסוגת הנוכחית.בנוסף, הוא לעתים קרובות דורש מזון עתיר גבוה מנקה וטכניקות להמיסה מיוחדים (למשל, וואקום, התכה, התכה באטמוספירה) כדי למנוע שילוב של ק"ג) לתוך יסודות תעשייתיים (D) ל- 100 ק"ג'ט) הוא עדיין פחותים (D) ל- הנדסת מכונות (D) כדי למנוע התנגשות (D) יעיל יותר ויותר (למשל, 000 גרם) ל- 100 ק"ג'ק (D) לאפקטים (למשל, 000) לאפקטים (D) לאפקטים (D) לאפקטים (D) לאפקטים (D) של טכניקות הנדסיות (D) של הנדסת מכונות ריכוז יעיל יותר ויותר נמוך יותר זול יותר ויותר (D) לאפקטים (D) ל- 10 ק"ג') ל- 100 גרם (D) ל- 100 גרם (למשל, הנדסת מכונות ריכוזים (למשל, הנדסת מכונות הנדסת מכונות ריכוזים (למשל, הנדסת מכונות ריכוז (למשל, הנדסת מכונות (D

התנהגות ארוכת טווח בתנאים קיצוניים

מגן חום חווה חולות תרמיות חמורות, שיעורי חימום גבוהים, וסביבות חמצון.היציבות ארוכת הטווח של HEAs בתנאים אלה - במיוחד ההתנגדות שלהם לעייפות תרמיה, חמצון מחזורי, ופירוק שלב - עדיין לא מאופיין במלואו מחקרים מוקדמים להראות כי הוא מסוים, כמו CoCFeNiAl0.3, יכול לעמוד ב-200 מחזורים תרמיים מ 1100 מעלות צלזיוס לחדר עם ירידה מינימלית, אך חסר לו נתונים ראשוניים של 2022:

הצטרף ואינטגרציה

הגדלת לוחות מגן חום לתוך מבנים גדולים יותר עשויים חומרים אחרים (למשל, טיטניום או אלומיניום פתיחת דליפה) דורש טכניקות נאמנות אמין. ולדינג של HEAs יכול להיות מסובך על ידי הנטייה שלהם ליצור שלבים בין-מתכתיים בממשק עם מתכות מימיות.מחקר לתוך אגוז דיפוזה, חיכוך, ו לייזר אנובלגים מתבצעים כמו מוסדות לאומיים של מרכזים.

שיקולים סביבתיים

הייצור של HEAs המכיל אלמנטים כמו tungsten ו cobalt יש טביעת רגל סביבתית גבוהה יחסית, הן בכריית והן עיבוד. ניתוח מחזור חיים נדרשים כדי להשוות את ההשפעה הכוללת של מגן חום HEA לעומת קונבנציונאליים קונבנציונליים עיצוב עתידי עשוי להיות צורך לשלב קריטריונים קיימות, כגון מחזור ושימוש מופחת בחומרים גלם קריטיים.

מבט לאחור

הפיתוח של ⁇ נטיות גבוהות ליישומים של הגנה חום הוא שדה תוסס ורב תחומי המשלב חומרים מדע, תרמודינמיקה, קבלן מכני ועיצוב אווירו-מרחבי בעשור הבא, אנו יכולים לצפות לראות את HEAs נע מקנה מעבדה כדי לבדוק את סגסוגת חומרים ניסיוניים של כלי רכב על-ידי גירוי גרעיניים, אך שילוב של סגסוגת חישוביים, תוספת ייצור, וטכנולוגיות ציפוי מתקדמות יגביר את המעבר הזה בעוד שישנן פוטנציאל עצום, כמו גם לחץ אווירי-אוויר, אך לא יכול להיות יעיל יותר, כמו גם עם מגבלות גבוהה יותר, כמו גם אזורי הגנה גבוהה יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם אזורי הגנה גבוהה יותר, כמו גם כן, כמו גם כוח לחץ אווירי שטח גדול יותר, אבל כוח-אוויר, אבל כוח-אוויר, לא יכול להיות יעיל יותר, אבל כוח-חום, אבל כוח-אוויר, כמו גם כן, לא יכול להיות יעיל יותר, אבל כוח הגנה לטווח ארוך-אווירה, לא יכול להיות יעיל יותר, כמו גם כן, אבל כוח הגנה לטווח ארוך-אווירה, 000 כוח הגנה לטווח ארוך טווח גבוה יותר, אבל כוח הגנה לטווח ארוך-אווירה, אבל כוח הגנה לטווח ארוך-אווירה, לא יכול להיות יעיל יותר, לא יכול להיות יעיל יותר, אבל כוח-אווירה