به کارگیری فناوری های نوین در فرآیند ساخت آلیاژ

پژوهشگران دانشکده فنی دانشگاه تهران به موفقیتی چشمگیر در زمینه طراحی و ساخت آلیاژهای جدید در سطح جهانی دست پیدا کرده اند. آن ها با ایجاد یک سیستم آلیاژی آنتروپی بالا موفق به تولید آلیاژی با ویژگی های مکانیکی منحصربه فرد شدند که توانایی ترکیب استحکام و شکل پذیری را به طور هم زمان دارد. این ویژگی های ترکیبی، آلیاژ ساخته شده را از سایر آلیاژهای موجود متمایز کرده و آن را به ماده ای ایده آل برای استفاده در صنایع گوناگون تبدیل می کند. آلیاژهای آنتروپی بالا، به دلیل ترکیب چندین عنصر مختلف، امکان دستیابی به ساختار پایدارتر و خاصیت هایی بهتر نسبت به آلیاژهای سنتی را دارند. در این پژوهش، به کمک ترکیب خلاقانه عناصر و به کارگیری روش های پیشرفته، پژوهشگران توانسته اند آلیاژ آنتروپی بالایی را توسعه دهند که هم از مقاومت بالایی در برابر فشار و کشش برخوردار است و هم قابلیت شکل دهی بالا دارد. این موفقیت نه تنها موجب بهبود فرآیندهای صنعتی خواهد شد، بلکه می تواند موجب کاهش هزینه ها و افزایش کیفیت محصولات نهایی شود. دستاورد دانشمندان ایرانی در این حوزه، فرصتی مناسب برای توسعه فناوری های نوین و تقویت صنعت در سطح ملی و بین المللی فراهم کرده است و به طور خاص در صنایع هوافضا، خودروسازی و پزشکی کاربردهای گسترده ای خواهد داشت.

در همین راستا با محمدجواد سهرابی، محقق مهندسی مواد در آزمایشگاه فولادهای پیشرفته و فرآیندهای ترمومکانیکی مواد مهندسی دانشگاه تهران، به گفت وگو نشسته ایم که در ادامه حاصل این گفت وگو را می خوانید.

چه ویژگی های مکانیکی خاصی در این آلیاژ جدید ایجاد شده است و چرا این ویژگی ها منحصربه فرد هستند؟

آلیاژ توسعه داده شده توسط محققان دانشگاه تهران، خواص مکانیکی قابل توجهی را در دمای محیط از خود نشان می دهد که شامل استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی قابل توجه به همراه شکل پذیری بسیار مناسب است. در بحث توسعه مواد افزایش استحکام معمولا موجب کاهش شکل پذیری می شود. با این حال آلیاژ توسعه داده شده در این پژوهش به طور همزمان استحکام و شکل پذیری بسیار مناسبی را از خود نشان می دهد که در مقایسه با بسیاری از مواد توسعه داده شده تا کنون برتر است.

آلیاژ آنتروپی بالا چیست و چگونه می تواند ویژگی های استحکام و شکل پذیری را به طور هم زمان دارا باشد؟

آلیاژهای آنتروپی بالا(HEA) به دسته ای از آلیاژها گفته می شود که از ترکیب چندین عنصر با نسبت های نزدیک به یکدیگر تشکیل شده اند و این ترکیب خاص، رویکردی متفاوت از آلیاژسازی سنتی را معرفی می کند. این ساختار نوآورانه، راه را برای طراحی آلیاژهایی با ویژگی های منحصر به فرد هموار کرده است و فرصت های بسیاری را در اختیار مهندسان علم مواد قرار می دهد. آلیاژهای آنتروپی بالا به دلیل ساختار پیچیده و متنوع خود، در صنایع هوافضا، خودروسازی و انرژی کاربردهای گسترده ای پیدا کرده اند و می توانند کارایی مواد را در شرایط دشوار بهبود بخشند. تحقیقات در زمینه آلیاژهای آنتروپی بالا به سرعت در حال پیشرفت است و توجه به این حوزه در صنایع مختلف روز به روز بیشتر می شود. از آنجا که افزایش استحکام در مواد معمولاً به قیمت کاهش شکل پذیری تمام می شود، ایجاد توازن میان این دو ویژگی ارزشمند چالشی اساسی در توسعه آلیاژهای نوین به شمار می آید، اما درک عمیق تر از مکانیسم های استحکام بخشی و چگونگی مهندسی این مکانیزم­ها، می تواند امکان دستیابی به استحکام بالا و شکل پذیری هم زمان را فراهم کند. به بیان ساده تر، با شناخت دقیق مکانیسم های موجود در این آلیاژها و مهندسی هدفمند آن ها، می توان به صورت بهینه از خواص مکانیکی بهره مند شد و آلیاژهایی با استحکام و شکل پذیری توأمان به دست آورد؛ آلیاژهایی که می توانند در محیط های چالش برانگیز، عملکردی برتر از خود نشان دهند و جایگاه ویژه ای در صنایع پیشرفته دست پیدا کنند.

چه نوآوری ها یا روش های جدیدی در فرآیند ساخت این آلیاژ به کار گرفته شده است که آن را از دیگر آلیاژهای موجود متمایز می کند؟

در آلیاژ توسعه داده شده توسط محققین دانشگاه تهران، با مهندسی و بهینه کردن مکانیزم استحکام بخشی استحاله مارتنزیتی و کوپل کردن آن با مکانیزم­های استحکام بخشی ریزدانه سازی و استحکام بخشی محلول جامد؛ خواص مکانیکی قابل توجهی حاصل شده است. نوآوری اصلی این آلیاژ، مهندسی پایداری مکانیکی فاز آستنیت می­باشد که اجازه همراه کردن چندین مکانیزم استحکام بخشی را به طور همزمان در این آلیاژ می­دهد. در این راستا، ترکیب شیمیایی و  ریزساختار آلیاژ بهینه سازی و کنترل دقیق شده است.

این آلیاژ جدید در چه کاربردهایی می تواند مفید باشد و کدام صنایع بیشترین بهره را از آن خواهند برد؟ آلیاژ توسعه یافته دارای خواص مکانیکی بسیار چشمگیری است که نه تنها در دمای محیط، بلکه در دماهای بسیار پایین و شرایط برودتی نیز به خوبی حفظ می شود. این ویژگی های برجسته، این آلیاژ را به گزینه ای ایده آل برای کاربرد در صنایعی همچون خودروسازی، کشتی سازی، و هواپیماسازی تبدیل کرده است؛ صنایعی که در آن ها دستیابی به خواص مکانیکی عالی و مقاومتی از اهمیت بالایی برخوردار است. این آلیاژ می تواند به عنوان ماده ای مطمئن و کارآمد، نقشی کلیدی در بهبود عملکرد و استحکام سازه ها در این حوزه های صنعتی ایفا کند.

چگونه به این دستاورد دست یافتند و چه مراحل یا آزمون هایی در مسیر تحقیق و توسعه این آلیاژ انجام شده است؟

در مسیر دستیابی به این آلیاژ آنتروپی بالا، ابتدا پژوهش های پیشین با دقت و گستردگی تمام مورد بررسی قرار گرفتند و درکی جامع از مکانیزم های مختلف استحکام بخشی به دست آمد. پس از آن، با انجام شبیه سازی های ترمودینامیکی، ترکیب شیمیایی مناسب برای توسعه این آلیاژ طراحی شد. در گام بعدی، آلیاژهای مختلفی تولید و تحت فرآیند ریخته گری قرار گرفتند تا سرانجام به آلیاژ بهینه و مورد نظر که هم اکنون در دست بررسی است، دست پیدا شود. بنابراین برای دستیابی به این ترکیب شیمیایی و این آلیاژ خاص، مراحل مهمی طی شد؛ نخستین مرحله شامل مطالعات عمیق و جامع در این زمینه، سپس شبیه سازی های ترمودینامیکی جهت یافتن ترکیب شیمیایی بهینه، و در ادامه ساخت و آزمون آلیاژهای مختلف تا انتخاب آلیاژ نهایی. در پایان، با اعمال عملیات ترمومکانیکی مناسب، ریزساختار آلیاژ به دقت کنترل و بهینه سازی شد تا خواص مکانیکی چشمگیری ارائه شود.

آیا این آلیاژ جدید قابلیت تولید در مقیاس صنعتی را دارد و چه چالش هایی در تولید انبوه آن ممکن است وجود داشته باشد؟

امکان تولید این آلیاژ در مقیاس صنعتی به طور کامل مهیا است و دانشگاه تهران، با توجه به موفقیت در تولید نمونه های آزمایشگاهی، ظرفیت لازم برای افزایش مقیاس تولید و دستیابی به تولید صنعتی را داراست. تنها مسئله ای که در این فرآیند مطرح می شود، هزینه تولید آن است؛ اگرچه این هزینه نسبتاً مناسب بوده و اندکی بیشتر از فولادهای زنگ نزن آستنیتی است که این افزایش عمدتاً به دلیل حضور عنصر کبالت در ترکیب است. با این حال، با توجه به کاربردهای گسترده و عملکرد برجسته این آلیاژ در صنایع مختلف، هزینه تولید آن در مقایسه با مزایای عملکردی و مقاومت مکانیکی بالا، توجیه پذیر است و می تواند برای صنایع ارزش افزوده ای قابل توجه ایجاد کند.

آلیاژهای آنتروپی بالا چه مزایایی نسبت به آلیاژهای سنتی دارند و چگونه می توانند به بهبود کیفیت محصولات صنعتی کمک کنند؟

در مفهوم آلیاژهای آنتروپی بالا، با دیدگاهی نوین روبه رو هستیم که تفاوت اساسی با آلیاژهای سنتی و متداول دارد. در آلیاژهای مرسوم، یک عنصر اصلی به عنوان پایه استفاده شده و دیگر عناصر به عنوان عناصر آلیاژی به آن افزوده می شوند، اما در آلیاژهای آنتروپی بالا، چندین عنصر با نسبت های تقریباً برابر به صورت هم زمان ترکیب می شوند تا آلیاژی منحصر به فرد ایجاد کنند. این تنوع در انتخاب و ترکیب عناصر آلیاژی، امکان طراحی و توسعه نامحدود سیستم­های آلیاژی متفاوت را فراهم کرده و به مهندسین مواد و طراحان آلیاژ، آزادی بی نظیری در ایجاد مواد با خواص مورد نظر می دهد. هر عنصر آلیاژی می تواند اثری متفاوت بر خواص مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و ویژگی های کاربردی داشته باشد و با تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی، می توان بهینه سازی خواص متنوعی را در آلیاژهای مختلف به دست آورد. معرفی این نوع آلیاژها در سال های اخیر توجه بسیاری از محققان و مهندسان مواد را به خود جلب کرده و کاربردهای گسترده ای در صنعت یافته است. به طور خلاصه، مفهوم آلیاژهای آنتروپی بالا، امکان طراحی و توسعه آلیاژهای جدید و نوآورانه را به طور چشمگیری افزایش داده است. اکنون می توانیم بر اساس نیازهای گوناگون صنعتی، ترکیب های متنوعی از عناصر را به گونه ای ترکیب کنیم که آلیاژهایی با خواص مطلوب و مناسب پدید آوریم که به شدت در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و افق های تازه ای را پیش روی علم مواد گشوده اند.

آیا این آلیاژ را بهینه سازی یا تجاری سازی کرده اید و برنامه های آینده برای توسعه و استفاده از این آلیاژ چیست؟

در زمینه بهینه سازی و تجاری سازی این آلیاژ، باید گفت که آلیاژ توسعه یافته کنونی، در میان چندین آلیاژ مورد بررسی، به عنوان گزینه ای بهینه انتخاب شده است. با این حال، همچنان امکان بهبود بیشتر خواص مکانیکی آن از طریق تغییرات جزئی در ترکیب شیمیایی، اعمال عملیات های ترموکانیکی و کنترل دقیق ریزساختار آن وجود دارد. در گام های بعدی، قصد داریم تا با بهره گیری از این تغییرات، به تقویت و بهبود خواص مکانیکی این آلیاژ بپردازیم. در زمینه تجاری سازی، در حال حاضر برنامه مشخصی در دست اقدام نیست، بلکه هدف فعلی ما این است که با تمرکز بر بهینه سازی بیشتر، به خواص متنوع این آلیاژ برای کاربردهای مختلف بپردازیم. تا کنون، خواص کششی این آلیاژ در دمای محیط مورد بررسی قرار گرفته است، اما ظرفیت های بسیاری نیز در آزمایش خواص آن در دماهای برودتی و شرایط تغییر شکل های متفاوت مانند برشی، فشاریپ و دیگر مدهای تغییر شکل وجود دارد که می تواند به گسترش کاربردهای آن در صنایع مختلف منجر شود.

این تحقیقات در قالب رساله دکتری محمدجواد سهرابی، دانشجوی دانشگاه تهران، به راهنمایی حامد میرزاده سلطان پور و مشاوره  رضا محمودی، اساتید دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه تهران، و سعید صادق پور از دانشگاه اولو فنلاند، در «آزمایشگاه فولادهای پیشرفته و فرایندهای ترمومکانیکی مواد مهندسی» دانشکدگان فنی دانشگاه تهران انجام شده و به دستاوردهای قابل توجهی منتج شده است.

مقالات متعدد منتج از این پژوهش، در نشریات گوناگون منتشر شده و مورد استقبال جامعه علمی جهانی قرار گرفته و بعضاً به عنوان مرجعی برای تحقیقات آینده شناخته شده اند. در تهیه این مقالات، محمود نیلی احمدآبادی و محمد حبیبی پارسا، اساتید دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه تهران، سجاد مهران پور، علیرضا کلهر، و علی حیدری نیا، دانش آموختگان دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه تهران، و پژوهشگرانی از دانشگاه فنی سیلسیان لهستان و دانشگاه علم و فناوری پوهانگ کره جنوبی همکاری داشتند.

خبرنگار: مریم ترک زاد

انتهای پیام