به‌کارگیری فناوری‌های 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 کرده‌اند. آن‌ها با ایجاد یک سیستم آلیاژی آنتروپی بالا موفق به تولید آلیاژی با ویژگی‌های مکانیکی منحصربه‌فرد شدند که توانایی ترکیب استحکام و شکل‌پذیری را به طور هم‌زمان دارد. این ویژگی‌های ترکیبی، آلیاژ ساخته‌شده را از سایر آلیاژهای موجود متمایز کرده و آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای استفاده در صنایع گوناگون تبدیل می‌کند. آلیاژهای آنتروپی بالا، به دلیل ترکیب چندین عنصر مختلف، امکان دستیابی به ساختار پایدارتر و خاصیت‌هایی بهتر نسبت به آلیاژهای سنتی را دارند. در این پژوهش، به کمک ترکیب خلاقانه عناصر و به‌کارگیری روش‌های پیشرفته، پژوهشگران توانسته‌اند آلیاژ آنتروپی بالایی را توسعه دهند که هم از مقاومت بالایی در برابر فشار و کشش برخوردار است و هم قابلیت شکل‌دهی بالا دارد. این موفقیت نه تنها موجب بهبود فرآیندهای صنعتی خواهد شد، بلکه می‌تواند موجب کاهش هزینه‌ها و افزایش کیفیت محصولات نهایی شود. دستاورد دانشمندان ایرانی در این حوزه، فرصتی مناسب برای توسعه فناوری‌های نوین و تقویت صنعت در سطح ملی و بین‌المللی فراهم کرده است و به‌طور خاص در صنایع هوافضا، خودروسازی و پزشکی کاربردهای گسترده‌ای خواهد داشت.

در همین راستا با محمدجواد سهرابی، محقق مهندسی مواد در آزمایشگاه فولادهای پیشرفته و فرآیندهای ترمومکانیکی مواد مهندسی دانشگاه تهران، به گفت‌وگو نشسته‌ایم که در ادامه حاصل این گفت‌وگو را می‌خوانید.

چه ویژگی‌های مکانیکی خاصی در این آلیاژ جدید ایجاد شده است و چرا این ویژگی‌ها منحصربه‌فرد هستند؟

آلیاژ توسعه داده شده توسط محققان دانشگاه تهران، خواص مکانیکی قابل توجهی را در دمای محیط از خود نشان می‌دهد 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 می‌شود. با این حال آلیاژ توسعه داده شده در این پژوهش به طور همزمان استحکام و شکل پذیری بسیار مناسبی را از خود نشان می‌دهد که در مقایسه با بسیاری از مواد توسعه داده شده تا کنون برتر است.

آلیاژ آنتروپی بالا چیست و چگونه می‌تواند ویژگی‌های استحکام و شکل‌پذیری را به‌طور هم‌زمان دارا باشد؟

آلیاژهای آنتروپی بالا(HEA) به دسته‌ای از آلیاژها گفته می‌شود که از ترکیب چندین عنصر با نسبت‌های نزدیک به یکدیگر تشکیل شده‌اند و این ترکیب خاص، رویکردی متفاوت از آلیاژسازی سنتی را معرفی می‌کند. این ساختار نوآورانه، راه را برای طراحی آلیاژهایی با ویژگی‌های منحصر به فرد هموار کرده است و فرصت‌های بسیاری را در اختیار مهندسان علم مواد قرار می‌دهد. آلیاژهای آنتروپی بالا به دلیل ساختار پیچیده و متنوع خود، در صنایع هوافضا، خودروسازی و انرژی کاربردهای گسترده‌ای پیدا کرده‌اند و می‌توانند 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 می‌شود. از آنجا که افزایش استحکام در مواد معمولاً به قیمت کاهش شکل‌پذیری تمام می‌شود، ایجاد توازن میان این دو ویژگی ارزشمند چالشی اساسی در توسعه آلیاژهای نوین به شمار می‌آید، اما درک عمیق‌تر از مکانیسم‌های استحکام‌بخشی و چگونگی مهندسی این مکانیزم­ها، می‌تواند امکان دستیابی به استحکام بالا و شکل‌پذیری هم‌زمان را فراهم کند. به بیان ساده‌تر، با شناخت دقیق مکانیسم‌های موجود در این آلیاژها و مهندسی هدفمند آن‌ها، می‌توان به صورت بهینه از خواص مکانیکی بهره‌مند شد و آلیاژهایی با استحکام و شکل‌پذیری توأمان به دست آورد؛ آلیاژهایی که می‌توانند در محیط‌های چالش‌برانگیز، عملکردی برتر از خود نشان دهند و جایگاه ویژه‌ای در صنایع پیشرفته دست پیدا کنند.

چه نوآوری‌ها یا روش‌های جدیدی در فرآیند ساخت این آلیاژ به کار گرفته شده است که آن را از دیگر آلیاژهای موجود متمایز می‌کند؟

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 می‌تواند مفید باشد و کدام صنایع بیشترین بهره را از آن خواهند برد؟ آلیاژ توسعه‌یافته دارای خواص مکانیکی بسیار چشمگیری است که نه‌تنها در دمای محیط، بلکه در دماهای بسیار پایین و شرایط برودتی نیز به‌خوبی حفظ می‌شود. این ویژگی‌های برجسته، این آلیاژ را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربرد در صنایعی همچون خودروسازی، کشتی‌سازی، و هواپیماسازی تبدیل کرده است؛ صنایعی که در آن‌ها دستیابی به خواص مکانیکی عالی و مقاومتی از اهمیت بالایی برخوردار است. این آلیاژ می‌تواند به‌عنوان ماده‌ای مطمئن و کارآمد، نقشی کلیدی در بهبود عملکرد و استحکام سازه‌ها در این حوزه‌های صنعتی ایفا کند.

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

در مسیر دستیابی به این آلیاژ آنتروپی بالا، ابتدا پژوهش‌های پیشین با دقت و گستردگی تمام مورد بررسی قرار گرفتند و درکی جامع از مکانیزم‌های مختلف استحکام بخشی به دست آمد. پس از آن، با انجام شبیه‌سازی‌های ترمودینامیکی، ترکیب شیمیایی مناسب برای توسعه این آلیاژ طراحی شد. در گام بعدی، آلیاژهای مختلفی تولید و تحت فرآیند ریخته‌گری قرار گرفتند تا سرانجام به آلیاژ بهینه و مورد نظر که هم‌اکنون 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 شبیه‌سازی‌های 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 به‌دقت کنترل و بهینه‌سازی شد تا خواص مکانیکی چشمگیری ارائه شود.

آیا این آلیاژ جدید قابلیت تولید در مقیاس صنعتی را دارد و چه چالش‌هایی 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 نمونه‌های آزمایشگاهی، ظرفیت لازم برای افزایش مقیاس تولید و دستیابی به تولید صنعتی را داراست. تنها مسئله‌ای که در این فرآیند مطرح می‌شود، هزینه تولید آن است؛ اگرچه این هزینه نسبتاً مناسب بوده و اندکی بیشتر از فولادهای زنگ‌نزن 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، توجیه‌پذیر است و می‌تواند برای صنایع ارزش افزوده‌ای قابل‌توجه ایجاد کند.

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

 در مفهوم آلیاژهای آنتروپی بالا، با دیدگاهی نوین روبه‌رو هستیم که تفاوت اساسی با آلیاژهای سنتی و متداول دارد. در آلیاژهای مرسوم، یک عنصر اصلی به‌عنوان پایه استفاده شده و دیگر عناصر به عنوان عناصر آلیاژی به آن افزوده می‌شوند، اما در آلیاژهای آنتروپی بالا، چندین عنصر با نسبت‌های تقریباً برابر به‌صورت هم‌زمان ترکیب می‌شوند 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 بی‌نظیری در ایجاد مواد با خواص مورد نظر می‌دهد. هر عنصر آلیاژی می‌تواند اثری متفاوت بر خواص مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و ویژگی‌های کاربردی داشته باشد و با تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی، می‌توان بهینه‌سازی خواص متنوعی را در آلیاژهای مختلف به دست آورد. معرفی این نوع آلیاژها در سال‌های اخیر توجه بسیاری از محققان و مهندسان مواد را به خود جلب کرده و کاربردهای گسترده‌ای در صنعت یافته است. به طور خلاصه، مفهوم آلیاژهای آنتروپی بالا، امکان طراحی و توسعه آلیاژهای جدید و نوآورانه را به‌طور چشمگیری افزایش داده است. اکنون می‌توانیم بر اساس نیازهای گوناگون صنعتی، ترکیب‌های متنوعی از عناصر را به‌گونه‌ای ترکیب کنیم که آلیاژهایی با خواص مطلوب و مناسب پدید آوریم که به‌شدت در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند و افق‌های تازه‌ای را پیش روی علم مواد گشوده‌اند.

آیا این آلیاژ را بهینه‌سازی یا تجاری‌سازی کرده‌اید و برنامه‌های آینده برای توسعه و استفاده از این آلیاژ چیست؟

در زمینه بهینه‌سازی و تجاری‌سازی این آلیاژ، باید گفت که آلیاژ توسعه‌یافته کنونی، در میان چندین آلیاژ مورد بررسی، به‌عنوان گزینه‌ای بهینه انتخاب شده است. با این حال، همچنان امکان بهبود بیشتر خواص مکانیکی آن از طریق تغییرات جزئی در ترکیب شیمیایی، اعمال عملیات‌های ترموکانیکی و کنترل دقیق ریزساختار آن وجود دارد. در گام‌های بعدی، قصد داریم تا با بهره‌گیری از این تغییرات، به تقویت و بهبود خواص مکانیکی این آلیاژ بپردازیم. در زمینه تجاری‌سازی، در حال حاضر برنامه مشخصی در دست اقدام نیست، بلکه هدف فعلی ما این است که با تمرکز بر بهینه‌سازی 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 ظرفیت‌های بسیاری نیز در آزمایش خواص آن در دماهای برودتی و شرایط تغییر شکل‌های متفاوت مانند برشی، فشاریپ و دیگر مدهای تغییر شکل وجود دارد که می‌تواند به گسترش کاربردهای آن در صنایع مختلف منجر شود.

این تحقیقات در قالب رساله دکتری محمدجواد سهرابی، دانشجوی دانشگاه تهران، به راهنمایی حامد میرزاده سلطان‌پور و مشاوره  رضا محمودی، اساتید دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه تهران، و سعید صادق‌پور 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 شده‌اند. در تهیه این مقالات، محمود نیلی احمدآبادی و محمد حبیبی پارسا، اساتید دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه تهران، سجاد مهران‌پور، علیرضا کلهر، و علی حیدری‌نیا، دانش‌آموختگان 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 ترک‌زاد

انتهای پیام