מבוא: הסעיף הבין-תחומי של התרמודינמיקה והמדע החומרי

המרדף הבלתי פוסק של טמפרטורות תפעול גבוהות יותר במנועי אוויר, טורבינות כוח, וכבשים תעשייתיים מניעים דרישה חסרת פשרות באותה מידה לחומרים שיכולים לעמוד בעומס תרמי מכני קיצוני - חומרים המסוגלים לשמור על שלמות מבנית, כוח, והתנגדות קורוזית בטמפרטורות לעתים קרובות מעל 1,000 מעלות צלזיוס - הם המזהמים של אנרגיה גבוהה ויעילות מערכות המרה של התפתחות מתקדמת.

התרמודינמיקה מציעה מסגרת שיטתית לחיזוי האופן שבו החומרים מתנהגים כאשר הם נתונים לשינויים בטמפרטורה, בלחץ ובקומפוזיציה. על ידי ניתוח שינויים באנרגיה, יציבות שלב, תגובות כימיות, מדענים חומריים יכולים לעצב באופן רציונלי סגסוגת ודרכי עיבוד כדי להשיג תכונות ממוקדות. מאמר זה חוקר את התפקיד הבסיסי של תרמודינמיקה במדע החומרי, במיוחד להתמקד בפיתוח של ⁇ טמפרטורות עמידת חום.

יסודות של התרמודינמיקה במדעי החומר

לפני צלילה לפיתוח ⁇ , חיוני לקבוע כיצד התרמודינמיקה מוחלת על חומרים.המשמעת נשענת על ארבעה חוקים, עם החוקים הראשונים והשניים רלוונטיים במיוחד.החוק הראשון, שימור האנרגיה, מאפשר למדענים לקחת בחשבון חום ולעבוד החלף במהלך שינויים בשלב או תגובות כימיות.החוק השני מציג את מושג האנטרופיה ומגדיר את הכיוון של תהליכים ספונטניים, אשר בחומרים מדעיים מתורגמים לשיטות של גיבים למזער אנרגיה חופשית.

(בפועל, מדענים חומריים משתמשים בתכונות תרמודינמיות כגון enthalpy (ראה ראטמאלי:0Horiph:1), אנטרופיה (ראה:2SFLT 3: 3), ו-Bahs אנרגיה חופשית (FLT:4Gears) אשר שלב סגסוגת אנרגיה בשלב הכרחי של סגסוגת אנרגיה משולבת (FLT 7) אשר יש צורך בטמפרטורה גבוהה יותר של LTXL).

רעיון קריטי נוסף הוא הפוטנציאל הכימי, שמניע את דיפוזיה ותגובות.ב ⁇ רב-קומנטלית, הבדלים בפוטנציאל הכימי לגרום לאטומים להגר, המוביל לשינויים מיקרו-מבנה - כגון משקעים או פירוק - שיכול לשפר או לגרוע ביצועים עתיריים גבוהים.התרמודינמיקה מספקת גם את המסגרת להבנת חמצון וקורוזציה, אשר הם בכל מקום בחיזוי גבוה של תפקוד מתכתי, לדוגמה, של תפקוד מתכתי, אשר מאפשר היווצרות של חומרת-חמצני, של טמפרטורות חופשיות, אשר מאפשר.

Thermodynamics in the Design of Heat-Resistant Alloys

שלב דיאגרמות ככלי חיזוי

הפיתוח של כל ⁇ עמידת חום מתחיל עם הדיאגרמה של שלב בינארי או ternary של אלמנטים מצטברים שלה. a שלב דיאגרמה המפות מחוץ לאזורים שבהם שלבים מוצקים, נוזליים או מעורבים מסוימים יציבים.עבור superalloys שלב מבוסס ניקל - את שרידי העבודה של חלקיקים חמים מנוע סילון - שלב ני-אל הוא יסודי.

לדוגמה, תוספת של rhenium ו-ruthenium ל-one-crystal Superalloys הונחו על ידי thermoדינמית מודלים כי חזו ירידה היווצרות של שלבים ארוזים בטופולוגית (TCP) - חצי ליטרים השבירים שנוצרים לאחר חשיפה ממושכת וגורמים לכישלון מוקדם.

הגישה CALPHAD: מהנתונים ועד עיצוב Alloy

CALPHAD (CALculation של PHAse Diagrams) הוא שיטת דוגמנות דינמית למחצה אמפירית המשלבת נתונים ניסיוניים עם מסדי נתונים תרמודינמיקה לחזות בשלב שווה של 1400 במערכות מורכבות ורב-תחומיות.זה הפך אבן הפינה של חומרים חישוביים (באמצעות CALPHAD), החוקרים יכולים למקד קבוצה הרצויה של תכונות (למשל, גבוה כל כך דחיסות נמוכה, כולל סגסוגת עצמית).

מעבר ליציבות שלב, CALPHAD יכול לחזות טמפרטורות מוצקות ונוזל, אשר הם קריטי לעיבוד (למשל, ליהוק, סגסוגת עמידת חום) חייב להיות נקודות מסה מעל טמפרטורות השירות המיועדות שלהם כדי למנוע התכה בשלבי cipient.החישובים הקרמודינמיקה מדריך את בחירת אלמנטים חוזרים (W, Moch, Nb) כי העלאת נקודות נמס אך חייב להיות מופחתת סימולציה של סימולציה סגסוגת).

Key Alloy Systems ו-Thermodynamic Foundations

Superalloys מבוסס ניקל

[ה]על-פי-על-פי המשקפיים המודרניים ביותר המשמשים בטמפרטורות מעל 70% מנקודת ההמסה שלהם (0.7FLT:0.TigtureFLT:1BuildbLT:2mphua β3pLT) , למשל, מגביר את יכולת ההתפתחות הגבוהה שלהם, אך מצמצם את ה- ⁇ של כל ה- ⁇ - ⁇ , אך הוא מצמצם את ה-Ricial של ה-Ricialricial של ה-R.

רק חישובים חד-קריסטל מבטלים גבולות דגנים, שהם נקודות חלשות עבור המצמרר וחמצן.הפיתוח שלהם מונע על ידי thermoדינמית ו קיננטיקה כדי להשיג חלקיק נפח גבוה של ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Metal Alloys and High-Entropy Alloys

לטמפרטורות קיצוניות מעל 1200 מעלות צלזיוס - כגון Hypersonic רכב מוביל הקצוות או ליבות כורים גרעיניים - ניקל superalloys גישה לגבולות שלהם. Refractory מתכת ⁇ s על בסיס niobium, molybdenum, tungsten, ו-Tantalum מציעים מודלים גמישים יותר סגסוגת חום ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

⁇ גבוהה-entropy (HEAs) - יצירות של ראשי-היסוד - זכו לתשומת לב לפוטנציאל שלהם ליצור פתרונות מוצקים חד-פעמיים עם כוח בזמן יוצא דופן ודוכסיות.היציבות התרמודינמית של שלבים אלה היא רחוקה משינוי טריוויאלי; מספר השלבים האפשריים של עלייה משולבת.

Ceramic-Metal Composites ו- Thermal Barrier Coatings

חומרים עמידים לחום לעתים קרובות משלבים קרמיקה או כשלב מתפתל (למשל, SiC-reinforced titanium ⁇ s) או כציפוי מחסום תרמי על תת-קרקעית.הבנת תאימות כימית בין קרמיקה למתכת נשלטת על ידי thermosicial (Alpicial Religicial Rep) או על ידי מערכת אחסון גמישה (Alpicial Religicial Rep) (Ricial Relimate Rep) (Ricial Rep) (Ricial Rep) (Ricial Repicial Rep) (Ricial Rep) (Ricial Repicial Rep) (Ricial Repicial Rep) של מערכת קרמיקה) (Ricial Replid) של מערכת קרמיקה) (Ricial Repine) היא בעיקר על ידי מערכת הגנה על ידי מערכת הגנה מפני קרמיקה) (Ricial Relimatesligicial Acidlimateslid Acidlimatesligicial Acidicial Acidlinamicial Retraicial Retraslid) (Ricial Repine) או

מיקרו-מבנה Stability and High-Temperature Performance

שלב ושלב Coarsating

בטמפרטורות גבוהות, ⁇ עוברים מפוספס – עיוות תלוי בזמן תחת עומס מתמשך.מיקרו-אורל יציבות הוא מכריע: אם חיזוק של קוהרסן (Ostwaldבשל), כוח הסגסוגת נחלש.כוח הנהיגה לקרוסלה של אנרגיה חנקת-על-ידי מטהר (Doucy) הוא ההפחתה של אנרגיה על-ידי משוואות המשפט גיבס-Thomson הקבועה.

בדומה לכך, היווצרות של שלבים ארוזים ב-TCP (TCP) מונע על ידי יציבות תרמודינמית בטמפרטורות גבוהות.שלבי TCP מועשרים באלמנטים השבויים והם רזים; מורפולוגיה דמוי הצלחת שלהם פועלת כמו העלאת מתח ואתרי השבתה של כוח הנהיגה עבור היווצרות TCP יכול להיות מחושב באמצעות CALPHAD: כאשר הפוטנציאל הכימי של sol (כמו Mo) או מעבר לסף שונה, אז, אז, ניתן להתאים את הכוח המניע של עיצוב TCP.

אוקסידציה ו-Corrosion Resistance

בשירות, ⁇ עמידת חום חייב לעמוד מול חמצון וקורטוזיה חמה (למשל, מדלקים נושאי חום או פקדות מלח) יציבות התרמודינמיקה של סולמות חד חמצני הוא מפתח. סגסוגת אלטר (Cr2O3) מגנים על פלדות אל-חלד וסגסוגת ניקל על בסיס של כ-900 מעלות צלזיוס, מעל כרומוזום פנימי צורך בסולם מינימלי (Oformin) כדי להפוך טמפרטורות קצרות יותר.

קורוזיה חמה כוללת מלחים מלוטנים (למשל, Na2SO4) שפורקים קשקשים הגנה.התרמודינמיקה של מערכת N-S-O-Cl מסייעת לחזות את יציבות תחמוצת מתכת בנוכחות מלחים אלה. Alloys יכול להיות פורמולה כדי ליצור קשקשים עמידים לשטף; למשל, תוספות של אלמנטים נדירים של פחמן (Y), אך ורק לאחר מכן, הם עדיין לשפר את רמת הפחתת אנרגיה (Hfdynamic).

יישומים מעשיים בתעשייה ובמחקר

העקרונות לעיל אינם אקדמיים; הם מוחלים ישירות בעיצוב של רכיבים הפועלים בתנאים קיצוניים. in aerospace, thermoדינמית מודלים התרמודינמיקה אפשרה לפיתוח של הדור הבא של superalloystal עבור להבים טורבינות.לדוגמה, ⁇ FLT:0CMSX-4FLT:1 תוכנן באמצעות מסד נתונים מוקדם של CALPHAD כדי להשיג איזון בין סגסוגת גבוהה ומנועי דלק אופטימטיקה, כגון דלק אופטיקה.

בדור כוח, צינורות אדים סופר קריטיים להבים טורבינות חייבים לעמוד בטמפרטורות עד 700 מעלות צלזיוס ולחץ גבוה.מודלים של התרמודינמיקה עוזרים לעצב פלדה ferritic-martensitic (למשל, דרגה 92) וסגסוגת ניקל מבוסס ניקל עבור תחנות כוח אולטרה-על מתקדמות.

ייצור Additive (3D הדפסה) של ⁇ עמידת חום מציב אתגרים חדשים: מוצקה מהירה מובילה לשלבים שאינם-equilibrium ו microsegation.thermoדינמית בשילוב עם סימולציות בשלב שדה מאפשר חיזוי של נתיבי איחוד ומיקרו-מבנה, כמו גם טיפול חום לאחר עיבוד כדי להשיג שלבים.

כיוונים עתידיים: Integrated Computational Materials Engineering (ICME) ו- Machine Learning

קצב הפיתוח של ⁇ עמידת חום הוא מאיץ בשל שילוב של תרמודינמיקה עם כלים חישוביים אחרים תחת מטרייה של חומרים משולבים הנדסה (ICME) על ידי הפיכה CALPHAD עם מודלים סופיים של העברת חום, מתח, חמצון, החוקרים יכולים לדמות את מחזור החיים של רכיב - החל ליהוק עד השירות.

למידת מכונה (ML) היא גם עושה דרכים. מסדי נתונים תרמודינמיקה גדולים משמשים כנתוני הדרכה עבור רשתות עצביות החיזוי יציבות בשלב מהר יותר מאשר חישובים CALPHAD מסורתיים. עם זאת, מודלים של ML הם רק טובים כמו הנתונים התרמודינמיים שהם מאומן עליהם; עקרונות תרמודינמיקה פונדמנטל נשאר הסלע.ה בין חישובים ראשוניים (תאוריה פונקציונלית) ו- CAD מאפשר חיזוי ניסיוני של מבנים גרעיניים לא יכלו להיות מדדים חזקים של כלי רכב עמידים.

מסקנה

התרמודינמיקה היא הרבה יותר מאשר משמעת תיאורטית; היא המנוע המעשי מאחורי הפיתוח של חומרים שעומדים בתנאים הקיצוניים ביותר של טמפרטורה ולחצים. מתוך הדיאגרמת השלב בינארי של שני אלמנטים למאגרי המידע הרב-קומנטליים המצפים שההתנהגות של 10-elements Superalloys, עקרונות תרמודינמיים בכל שלב של תהליך העיצוב.