مقاومت در برابر دماهای بالاتوپ ولترفمنیدر میان مواد فلزی، یک بازیگر برتر است و ویژگی های آن آن را به یک انتخاب اصلی مواد در محیط های درجه حرارت بسیار بالا تبدیل می کند.سناریوهای کاربرد و ابعاد مقایسه:
一داده های اصلی مقاومت در دمای بالا: نقطه ذوب و دمای شدید کاربرد
1. "مزیت های ذاتی"وولفستم
نقطه ذوب: نقطه ذوب وولفستم خالص تا 3422 درجه سانتیگراد است (حدود 2000 درجه سانتیگراد بالاتر از فولاد و تقریباً 2000 درجه سانتیگراد بالاتر از طلا).و این یکی از فلزات با بالاترین نقطه ذوب در طبیعت است.
مقاومت در دمای بالا:
در درجه 2000 درجه سانتیگراد، مقاومت کشش ولفستم هنوز هم می تواند به 100-150 MPa برسد (فولاد معمولی نرم می شود و بالاتر از 400 درجه سانتیگراد شکست می خورد).
حتی هنگامی که به 3000 درجه سانتیگراد گرم می شود (نزدیک به نیمی از دمای سطح خورشید) ، ولتفستم هنوز هم می تواند حالت جامد را حفظ کند و فقط به آرامی شروع به تزئین می کند (به طور مستقیم از جامد به گاز).
2. عملکرد بهینه ازآلیاژ های ولترفستم
آلیاژ های وولفستم که معمولاً در صنعت نظامی استفاده می شوند (مانند آلیاژ های وولفستم-نیکل- آهن) به دلیل افزودن فلزات دیگر، نقطه ذوب کمی پایین تر (حدود 3000-3300 °C) دارند.اما مقاومت اکسیداسیون آنها در دمای بالا به طور قابل توجهی بهبود یافته است:
در هوای 1000 درجه سانتیگراد، میزان افزایش وزن اکسیداسیون تنها 0.01 mg/cm2·h است (سرعت اکسیداسیون فولاد حدود 1-10 mg/cm2·h است).
مثال: پوشش گلوی نوزل یک نوع موتور موشک از آلیاژ ولتفرمن استفاده می کند.که می تواند به مدت 30 دقیقه در درجه حرارت 2800 درجه سانتیگراد به گاز برساند (پوش گلو آلیاژ مس معمولی فقط می تواند 5 دقیقه دوام بیاورد).
二سناریوهای عملی در محیط های شدید
1هوافضا: مبارزه با جریان هوا با دمای بسیار بالا
نوزل موتور موشک:
پوشش گلو نوزل موتور جامد از موشک سری Long March از مواد مس نفوذ شده ولفستم استفاده می کند (اسکلت ولفستم + پر کردن مس) ،که می تواند به طور پایدار در گاز ۳۲۰۰ درجه سانتیگراد کار کند (سرعت بیش از ۴۰۰۰ متر در ثانیه)، و از تغییر فاز مس برای جذب گرما استفاده می کند تا از گرم شدن بیش از حد ولفستم جلوگیری شود.
در مقایسه با پوشش گلو گرافیت سنتی، سرعت آبلاسیون مواد مبتنی بر وولفرمن 90٪ کاهش می یابد (سرعت آبلاسیون گرافیت حدود 0.5 میلی متر در ثانیه است،و از آلیاژ ولتفرمن فقط 0.05 میلی متر در ثانیه)
حفاظت حرارتی از هواپیماهای فوق صوتی:
دمای لایه موج شوک در سر هواپیمای بیش از 2000°C است.آلیاژ ولترفستمبلوک ها) به عنوان مواد شنای گرما برای ذخیره گرما با جذب گرما (قدرت گرما مشخص 0.13 J/g·K) و کاهش سرعت گرم کردن ساختار استفاده می شوند.
2تجهیزات نظامی: واکنش به انفجارها و آتش
سیستم حفاظت فعال از مخازن:
درتوپ ولترفمنیقطعات موجود در موشک های بازجویی در لحظه انفجار جامد باقی می مانند (درجه حرارت بیش از 3000 درجه سانتیگراد)جلوگیری از کاهش مرگ و میر به دلیل نرم شدن در دمای بالا (بخش های فولادی در این دمای به مایع ذوب شده اند).
تجهیزات اضطراری برای تاسیسات هسته ای:
در حوادث نشت راکتور هسته ای،دستگاه مهر و موم ساخته شده از توپ های وولفستم می تواند یکپارچگی ساختاری را در یک محیط تابش 1500 درجه سانتیگراد حفظ کند (فولاد ضد زنگ معمولی از خوردگی بین دانه ای بالاتر از 800 درجه سانتیگراد رنج می برد).
3سلاح های ویژه: اثربخشی مبارزه در محیط های با دمای بالا
بمب های ترموباریک/فشار زا:
توپ های وولفستمین به عنوان قطعات از پیش ساخته شده از بدن پرتاب استفاده می شوند. در 2500 درجه سانتیگراد توپ آتش بالا که توسط انفجار سوخت تولید می شود،آنها هنوز هم می توانند قابلیت پرواز با سرعت بالا را حفظ کنند (قطعات آلومینیوم به طور مستقیم تبخیر می شوند، و قطعات فولادی به دلیل دمای بالا سختی را کاهش می دهند).
تفنگ های شیمیایی الکترو ترمیکی:
در طول آتش سوزی، دمای داخل بشکه به 4000 درجه سانتیگراد می رسد. The tungsten alloy projectiles can withstand more than 500 extremely high-temperature firing cycles through surface carbonization treatment (forming a WC hardening layer) (copper alloy projectiles can only withstand 50 times).
نتیجه اصلی:
بهترین عملکرد کلی: توپ های وولفستم در تعادل "مقاومت در دمای بالا + قدرت بالا + مقاومت در برابر ضربه" بی نظیر هستند،و به ویژه برای صحنه هایی که نیاز به مقاومت در برابر دمای بالا و بار های مکانیکی در همان زمان دارند (مانند موتورها و پوسته های سوراخ کننده زره) مناسب هستند..
محدودیت ها: وولفستم خالص دارای پلاستیکی ضعیف است (به سینتر کردن در دمای بالا نیاز دارد) و هزینه آن 20-30 برابر فولاد است.آلیاژ های وولفستم نیاز به بهبود بیشتر در سختی و بهره وری هزینه از طریق نانوائیزینگ و کامپوزیت (مانند مواد گرادینت وولفستم سرامیکی) دارند..
三مرزهای تکنولوژی: جهت های نوآوری که از مرزها عبور می کنند
1. نانووولفستممواد
از طریق فناوری فلزات نانو پودری (مانند پوشش سپرده ای لایه اتمی) ، اندازه دانه زیر 100 نانومتر کنترل می شود.که می تواند پلاستیکیت دمای بالا ولفستم را 300٪ افزایش دهد (طول دادن از 1٪ تا 4٪) در حالی که نقطه ذوب را تغییر نمی دهد.
2طراحی ساختار فوق مواد
چاپ سه بعدی "کوله وولفستین عسل": ساختار متخلخل داخلی می تواند رسانایی حرارتی را کاهش دهد (رانندگی حرارتی از 174 W/m・K به 50 W/m・K)به طوری که دمای داخلی سطح توپ با تاخیر 10 دقیقه به بیش از 500°C در زیر یک منبع حرارت 2500°C افزایش یابد..
3حفاظت از پوشش کامپوزیت
سطح با سرامیک HfB2-SiC با درجه حرارت فوق العاده بالا (نقطه ذوب 3380°C) پوشش داده شده است تا پوشش گرادینتی "سرامیک مبتنی بر تلفستم" را تشکیل دهد.که می تواند زیربنای وولفستم را در جریان پلاسما 3000 درجه سانتیگراد برای بیش از 1 ساعت محافظت کند (پوشش سنتی فقط می تواند 10 دقیقه دوام داشته باشد).
خلاصه: مرز "تغییر پذیری در محیط های شدید" توپ های وولفستم
محدودیت دمایی: بدون محافظت، توپ های وولفستم می توانند تا 2500 درجه سانتیگراد به طور پایدار کار کنند.آنها می توانند در مدت کوتاهی به دماهای فوق العاده بالا بیش از 3200 درجه سانتیگراد (مانند شرایط موقت کار موتورهای موشک) مقاومت کنند..
کلید کاربرد: در سناریوهایی که نیاز به "مقاومت در برابر دمای بالا + مقاومت در برابر ضربه + عمر طولانی" دارند (مانند سلاح های بیش صوتی و محیط های تابش هسته ای)توپ های وولفستمین مواد اصلی غیر قابل جایگزینی هستنددر حالی که سناریوهای درجه حرارت بالا و بدون بار (مانند اندازه گیری دمای کوره) می توانند مواد سرامیکی اقتصادی تر را در نظر بگیرند.
در آينده، با پیشرفت تکنولوژی توليدي،گلوله های ولترفمنیانتظار می رود که استفاده شدید از سطح 3500 درجه سانتیگراد در هوافضا، سلاح های انرژی هدایت شده و سایر زمینه ها را به چالش بکشند.
مقاومت در برابر دماهای بالاتوپ ولترفمنیدر میان مواد فلزی، یک بازیگر برتر است و ویژگی های آن آن را به یک انتخاب اصلی مواد در محیط های درجه حرارت بسیار بالا تبدیل می کند.سناریوهای کاربرد و ابعاد مقایسه:
一داده های اصلی مقاومت در دمای بالا: نقطه ذوب و دمای شدید کاربرد
1. "مزیت های ذاتی"وولفستم
نقطه ذوب: نقطه ذوب وولفستم خالص تا 3422 درجه سانتیگراد است (حدود 2000 درجه سانتیگراد بالاتر از فولاد و تقریباً 2000 درجه سانتیگراد بالاتر از طلا).و این یکی از فلزات با بالاترین نقطه ذوب در طبیعت است.
مقاومت در دمای بالا:
در درجه 2000 درجه سانتیگراد، مقاومت کشش ولفستم هنوز هم می تواند به 100-150 MPa برسد (فولاد معمولی نرم می شود و بالاتر از 400 درجه سانتیگراد شکست می خورد).
حتی هنگامی که به 3000 درجه سانتیگراد گرم می شود (نزدیک به نیمی از دمای سطح خورشید) ، ولتفستم هنوز هم می تواند حالت جامد را حفظ کند و فقط به آرامی شروع به تزئین می کند (به طور مستقیم از جامد به گاز).
2. عملکرد بهینه ازآلیاژ های ولترفستم
آلیاژ های وولفستم که معمولاً در صنعت نظامی استفاده می شوند (مانند آلیاژ های وولفستم-نیکل- آهن) به دلیل افزودن فلزات دیگر، نقطه ذوب کمی پایین تر (حدود 3000-3300 °C) دارند.اما مقاومت اکسیداسیون آنها در دمای بالا به طور قابل توجهی بهبود یافته است:
در هوای 1000 درجه سانتیگراد، میزان افزایش وزن اکسیداسیون تنها 0.01 mg/cm2·h است (سرعت اکسیداسیون فولاد حدود 1-10 mg/cm2·h است).
مثال: پوشش گلوی نوزل یک نوع موتور موشک از آلیاژ ولتفرمن استفاده می کند.که می تواند به مدت 30 دقیقه در درجه حرارت 2800 درجه سانتیگراد به گاز برساند (پوش گلو آلیاژ مس معمولی فقط می تواند 5 دقیقه دوام بیاورد).
二سناریوهای عملی در محیط های شدید
1هوافضا: مبارزه با جریان هوا با دمای بسیار بالا
نوزل موتور موشک:
پوشش گلو نوزل موتور جامد از موشک سری Long March از مواد مس نفوذ شده ولفستم استفاده می کند (اسکلت ولفستم + پر کردن مس) ،که می تواند به طور پایدار در گاز ۳۲۰۰ درجه سانتیگراد کار کند (سرعت بیش از ۴۰۰۰ متر در ثانیه)، و از تغییر فاز مس برای جذب گرما استفاده می کند تا از گرم شدن بیش از حد ولفستم جلوگیری شود.
در مقایسه با پوشش گلو گرافیت سنتی، سرعت آبلاسیون مواد مبتنی بر وولفرمن 90٪ کاهش می یابد (سرعت آبلاسیون گرافیت حدود 0.5 میلی متر در ثانیه است،و از آلیاژ ولتفرمن فقط 0.05 میلی متر در ثانیه)
حفاظت حرارتی از هواپیماهای فوق صوتی:
دمای لایه موج شوک در سر هواپیمای بیش از 2000°C است.آلیاژ ولترفستمبلوک ها) به عنوان مواد شنای گرما برای ذخیره گرما با جذب گرما (قدرت گرما مشخص 0.13 J/g·K) و کاهش سرعت گرم کردن ساختار استفاده می شوند.
2تجهیزات نظامی: واکنش به انفجارها و آتش
سیستم حفاظت فعال از مخازن:
درتوپ ولترفمنیقطعات موجود در موشک های بازجویی در لحظه انفجار جامد باقی می مانند (درجه حرارت بیش از 3000 درجه سانتیگراد)جلوگیری از کاهش مرگ و میر به دلیل نرم شدن در دمای بالا (بخش های فولادی در این دمای به مایع ذوب شده اند).
تجهیزات اضطراری برای تاسیسات هسته ای:
در حوادث نشت راکتور هسته ای،دستگاه مهر و موم ساخته شده از توپ های وولفستم می تواند یکپارچگی ساختاری را در یک محیط تابش 1500 درجه سانتیگراد حفظ کند (فولاد ضد زنگ معمولی از خوردگی بین دانه ای بالاتر از 800 درجه سانتیگراد رنج می برد).
3سلاح های ویژه: اثربخشی مبارزه در محیط های با دمای بالا
بمب های ترموباریک/فشار زا:
توپ های وولفستمین به عنوان قطعات از پیش ساخته شده از بدن پرتاب استفاده می شوند. در 2500 درجه سانتیگراد توپ آتش بالا که توسط انفجار سوخت تولید می شود،آنها هنوز هم می توانند قابلیت پرواز با سرعت بالا را حفظ کنند (قطعات آلومینیوم به طور مستقیم تبخیر می شوند، و قطعات فولادی به دلیل دمای بالا سختی را کاهش می دهند).
تفنگ های شیمیایی الکترو ترمیکی:
در طول آتش سوزی، دمای داخل بشکه به 4000 درجه سانتیگراد می رسد. The tungsten alloy projectiles can withstand more than 500 extremely high-temperature firing cycles through surface carbonization treatment (forming a WC hardening layer) (copper alloy projectiles can only withstand 50 times).
نتیجه اصلی:
بهترین عملکرد کلی: توپ های وولفستم در تعادل "مقاومت در دمای بالا + قدرت بالا + مقاومت در برابر ضربه" بی نظیر هستند،و به ویژه برای صحنه هایی که نیاز به مقاومت در برابر دمای بالا و بار های مکانیکی در همان زمان دارند (مانند موتورها و پوسته های سوراخ کننده زره) مناسب هستند..
محدودیت ها: وولفستم خالص دارای پلاستیکی ضعیف است (به سینتر کردن در دمای بالا نیاز دارد) و هزینه آن 20-30 برابر فولاد است.آلیاژ های وولفستم نیاز به بهبود بیشتر در سختی و بهره وری هزینه از طریق نانوائیزینگ و کامپوزیت (مانند مواد گرادینت وولفستم سرامیکی) دارند..
三مرزهای تکنولوژی: جهت های نوآوری که از مرزها عبور می کنند
1. نانووولفستممواد
از طریق فناوری فلزات نانو پودری (مانند پوشش سپرده ای لایه اتمی) ، اندازه دانه زیر 100 نانومتر کنترل می شود.که می تواند پلاستیکیت دمای بالا ولفستم را 300٪ افزایش دهد (طول دادن از 1٪ تا 4٪) در حالی که نقطه ذوب را تغییر نمی دهد.
2طراحی ساختار فوق مواد
چاپ سه بعدی "کوله وولفستین عسل": ساختار متخلخل داخلی می تواند رسانایی حرارتی را کاهش دهد (رانندگی حرارتی از 174 W/m・K به 50 W/m・K)به طوری که دمای داخلی سطح توپ با تاخیر 10 دقیقه به بیش از 500°C در زیر یک منبع حرارت 2500°C افزایش یابد..
3حفاظت از پوشش کامپوزیت
سطح با سرامیک HfB2-SiC با درجه حرارت فوق العاده بالا (نقطه ذوب 3380°C) پوشش داده شده است تا پوشش گرادینتی "سرامیک مبتنی بر تلفستم" را تشکیل دهد.که می تواند زیربنای وولفستم را در جریان پلاسما 3000 درجه سانتیگراد برای بیش از 1 ساعت محافظت کند (پوشش سنتی فقط می تواند 10 دقیقه دوام داشته باشد).
خلاصه: مرز "تغییر پذیری در محیط های شدید" توپ های وولفستم
محدودیت دمایی: بدون محافظت، توپ های وولفستم می توانند تا 2500 درجه سانتیگراد به طور پایدار کار کنند.آنها می توانند در مدت کوتاهی به دماهای فوق العاده بالا بیش از 3200 درجه سانتیگراد (مانند شرایط موقت کار موتورهای موشک) مقاومت کنند..
کلید کاربرد: در سناریوهایی که نیاز به "مقاومت در برابر دمای بالا + مقاومت در برابر ضربه + عمر طولانی" دارند (مانند سلاح های بیش صوتی و محیط های تابش هسته ای)توپ های وولفستمین مواد اصلی غیر قابل جایگزینی هستنددر حالی که سناریوهای درجه حرارت بالا و بدون بار (مانند اندازه گیری دمای کوره) می توانند مواد سرامیکی اقتصادی تر را در نظر بگیرند.
در آينده، با پیشرفت تکنولوژی توليدي،گلوله های ولترفمنیانتظار می رود که استفاده شدید از سطح 3500 درجه سانتیگراد در هوافضا، سلاح های انرژی هدایت شده و سایر زمینه ها را به چالش بکشند.
