تطبيقات مسحوق المعادن في مجال الفضاء والطيران

ربما سمعت أن مسحوق المعادن (PM) يستخدم على نطاق واسع في الصناعة الميكانيكية.

ولكن هل تعلم عن تطبيقات مسحوق المعادن في مجال الفضاء والطيران؟

يمكن لتصنيع المواد الأولية (PM) تصنيع مواد عالية الأداء وإنتاج كميات كبيرة من الأجزاء المعقدة ذات الشكل شبه النهائي. وهذا بالضبط ما تحتاجه تطبيقات الطيران والفضاء.

مواد مسحوق المعادن في مجال الفضاء

السبائك الفائقة (سبائك عالية الأداء)

هل تعرف السبائك الفائقة؟ السبائك الفائقة هي مواد سبائكية ذات درجات انصهار عالية نسبيًا، وعادةً ما تكون مصنوعة من الكوبالت أو النيكل. ووفقًا لدراسة أجرتها جامعة كامبريدج، يمكن للسبائك الفائقة أن تعمل عند درجات حرارة تبلغ حوالي 0.7 ضعف درجة انصهارها. وهذا يجعلها تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الطيران والفضاء والطب.

السبائك الفائقة القائمة على النيكل

تُعد السبائك الفائقة القائمة على النيكل واحدة من أهم المواد في محركات الطائرات للأسباب التالية:

• قوة درجة حرارة عالية
• مقاومة ممتازة للتآكل
• أداء جيد في مواجهة التعب

يُستخدم بشكل رئيسي في تصنيع أقراص وشفرات التوربينات، وغيرها. بفضل تقنية مسحوق المعادن، يُمكن تحسين نقاء وتجانس سبائك النيكل، وتقليل محتوى الأكسجين والشوائب، وتعزيز قوة ومتانة الأجزاء المُلبَّدة.

طرق الإنتاج الشائعة لمساحيق السبائك عالية الأداء القائمة على النيكل هي:

• الانحلال الغازي (GA)
• ذرات غاز الصهر بالحث الكهربائي (EIGA)
• عملية قطب البلازما الدوار (PREP)

على سبيل المثال، يُعدّ إنكونيل 625 مثاليًا لأنظمة أنابيب الطائرات وأنظمة عكس دفع المحركات. أما إنكونيل 718، فيُستخدم في مكونات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل وأجزاء محركات الطائرات نظرًا لسهولة تصنيعه وسعره المناسب وخصائصه الجيدة.

سبيكة فائقة قائمة على الكوبالت

سبيكة الكوبالت الفائقة مادة شائعة الاستخدام في تصنيع الطائرات. تلعب دورًا هامًا في تصنيع محركات التوربينات، وتوربينات الغاز، ومكونات أخرى.

بالمقارنة مع السبائك الفائقة القائمة على النيكل، تتميز السبائك الفائقة القائمة على الكوبالت بدرجة انصهار أعلى، حيث تتجاوز معظمها 1300 درجة مئوية. كما تتميز بمقاومة أفضل للتآكل في درجات الحرارة العالية ومتانة أعلى. هذا ما يجعلها تُستخدم في ريش توجيه محركات الطائرات لتجنب الأعطال في درجات الحرارة العالية.

الجدول أدناه هو تطبيق سبائك مسحوق المعادن الأخرى في محركات الطائرات.

نموذج المادة	محرك نموذج	اسم الجزء
في 100	F100-PW-100	حلقة غطاء الضاغط قرص التوربين حلقة كفن التوربين المتكاملة
	F119-PW-100	دوار شفرة (IBR) للمراحل من 6 إلى 9
Rene95	F101-GE-100	عمود الضاغط عالي-منخفض قرص توربين الضغط
	F101-GE-100	قرص توربيني عالي الضغط
	F404-GE-400	ضاغط عالي الضغط أسطوانة توربينات الضغط العالي والمنخفض أسطوانة
	T700-GE-700	قرص التوربين
رينيه88DT	F101-GE-129	توربين قرص الضاغط أسطوانة
	سي اف 6-80 اي	قرص توربيني عالي الضغط
	سي اف ام 56-5 سي 2	توربين عالي الضغط أسطوانة
	GE90	قرص ضاغط المرحلة التاسعة
U720	T800 T406	ضاغط المرحلة العاشرة أسطوانة
ME3	GP720	قرص التوربينات

سبائك التيتانيوم

يتم استخدام التيتانيوم وسبائك التيتانيوم، مثل Ti-6Al-4V، على نطاق واسع

في تطبيقات الفضاء الجوي بسبب الخصائص التالية:

• نسبة ممتازة للقوة إلى الوزن
• المقاومة للتآكل
• القدرة على تحمل درجات الحرارة العالية

سبائك التيتانيوم مثالية لتصنيع أقراص الضاغط، والشفرات، وأجهزة الملاحة في مراوح وضواغط محركات الطائرات. يمكن للتيتانيوم أن يخفض وزن المحرك بشكل ملحوظ عن طريق استبدال الفولاذ، مما يُحسّن نسبة الدفع إلى الوزن.

مركب المصفوفة المعدنية (MMC)

MMC هي مادة مركبة من المعدن والسيراميك.

يتمتع MMC Al/SiC بقوة وصلابة نوعية متفوقة مقارنة بالمعادن التقليدية مثل الفولاذ أو التيتانيوم.

يتميز باستقرار حراري أفضل، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات درجات الحرارة العالية لشفرات التوربينات في الطائرات. كما يتميز MMC بمقاومة مُحسّنة للتعب، مما يُقلل من احتمالية تعطل محركات الطائرات في ظل ظروف التحميل الدوري.

الخزف

يمكن استخدام المواد الخزفية كمواد رش حراري لتوفير الحماية الحرارية لأجزاء الطيران

تطبيقات مسحوق المعادن في أجزاء الطيران

ريش التوربينات

شفرات التوربينات المصنوعة من Al-SiC تُخفّض MMC استهلاك وقود الطائرات بتقليل وزنها، مما يُوفّر التكاليف ويُحقق فوائد بيئية.

علاوة على ذلك، بفضل مقاومته الممتازة للتعب، فإنه يعمل على إطالة عمر خدمة محركات الطائرات ويقلل من وقت التوقف عن الصيانة.

أجزاء المحرك

غرفة الاحتراق

تعتمد غرف الاحتراق عادةً على أجزاء PM نظرًا لمقاومتها لدرجات الحرارة العالية وقدرتها على تحمل الدورة الحرارية.

فوهات الوقود

تصنيع إضافات مسحوق المعادن (الطباعة ثلاثية الأبعاد) يمكن أن توفر فوهات وقود معقدة

وبحسب شركة GE Aerospace، فقد استخدمت الشركة التصنيع الإضافي لتقليل عدد الأجزاء في فوهات الوقود وتقليل الوزن بنسبة 25%.

وسادات فرامل الطائرات

إن جوهر جهاز فرامل عجلات الطائرة هو وسادة الفرامل، لأنه أثناء عملية الهبوط، يكون الحمل على وسادة الفرامل كبيرًا جدًا ودرجة حرارة السطح اللحظية مرتفعة جدًا أيضًا.

يمكن لفرامل مسحوق المعادن، المصنوعة من مسحوق الحديد أو مسحوق النحاس كمكون رئيسي، بالإضافة إلى مساحيق غير معدنية مضادة للاحتكاك والالتصاق، أن تلبي المتطلبات المذكورة أعلاه. تستخدم معظم الطائرات العسكرية والمدنية حاليًا فرامل مسحوق المعادن.

أجزاء أخرى من مسحوق المعادن لمحركات الطائرات

• قرص الضاغط (150 ~ 950 مم)
• ضاغط توربيني ذو جدار رقيق
• عمود الأسطوانة
• شفرات الرش الساخن
• ذراع تعديل الشفرة المصبوبة بالحقن لمحرك T-406
• غلاف التوربينات؛
• ريشة توجيه المروحية IN718
• شفرة توربين مصبوبة بالحقن

طلاءات الرش الحراري لتطبيقات الطيران والفضاء

بالإضافة إلى تلبية الأجزاء لمتطلبات محددة، يُعدّ طلاء محركات الطيران ضروريًا لحماية هذه الأجزاء. يُطيل هذا الطلاء عمر خدمة أجزاء المحرك الرئيسية بفعالية.

تُستخدم مساحيق الرش الحراري بشكل شائع في طلاء الحاجز الحراري، وطلاءات الختم، والطلاءات المقاومة للتآكل لمحركات الطائرات الفضائية.

تشمل مساحيق الرش الحراري الشائعة ما يلي:

• مسحوق سيراميك أكسيدي (Al2O3، ZrO2، Cr2O3، TiO2)
• مسحوق السبائك (Al-Ni، Ni-Cr، Ti-Ni، Ni-Cr-Al)
• مسحوق سيراميك معدني (WC-Co، Cr3C2-NiCr)
• مسحوق المعدن النقي (Mo، Al، Cu، Ni، Ti، Ta)

حجم جزيئات مسحوق الرش الحراري حوالي 15 إلى 150 ميكرومتر.

لها الخصائص التالية:

• توزيع ضيق لحجم الجسيمات
• كروية عالية
• سيولة جيدة
• نسبة منخفضة من الغاز والشوائب

يمكن للمصنعين تصنيع هذه المساحيق عالية الدقة والنقية من خلال تقنية ذرات مسحوق المعادن

فوائد استخدام مسحوق المعادن في صناعة الطيران

مكونات خفيفة الوزن

يمكن لـ PM إنتاج مكونات خفيفة الوزن باستخدام مواد مثل الألومنيوم والتيتانيوم وAl-SiC MMC. هذا يُقلل من استهلاك وقود الطائرات.

في مجال الفضاء الجوي الصيني، يمكن أن يؤدي استخدام شفرات التوربينات منخفضة الضغط المصنوعة من التيتانيوم والألومنيوم إلى تقليل وزن محركات الطائرات التي تزن حوالي 3,000 كيلوغرام بمقدار 30 إلى 50 كيلوغرامًا، مما يقلل استهلاك الوقود بشكل كبير.

هندسة معقدة

تقنيات PM مثل حقن المسحوق (PIM) و الضغط المتساوي الضغط الساخن (HIP) يمكن إنشاء أشكال وهندسة معقدة يصعب أو يستحيل تحقيقها باستخدام طرق التصنيع التقليدية.

قوة عالية ومتانة

عملية مسحوق المعادن يسمح بإنتاج مواد ذات خصائص مخصصة، مثل نسب عالية من القوة إلى الوزن ومقاومة ممتازة للتعب.

إنتاج فعال من حيث التكلفة

تقليل هدر المواد، وانخفاض استهلاك الطاقة، وخطوات التصنيع الأقل.

المقاومة للحرارة

يمكن لتكنولوجيا مسحوق المعادن إنتاج مواد محددة مقاومة لدرجات الحرارة العالية، وخاصة سبائك الجيل الثالث عالية الأداء القائمة على النيكل - FGH98.