ما هي المعادن المقاومة للحرارة؟

المعادن الحرارية هي مجموعة من خمسة معادن: التنغستن (W)، والموليبدينوم (Mo)، والنيوبيوم (Nb)، والتنتالوم (Ta)، والرينيوم (Re). تتميز جميعها بدرجات انصهار عالية جدًا تتجاوز 2000 درجة مئوية. حتى في درجات الحرارة القصوى، تحافظ على شكلها جيدًا (مقاومة للانحناء أو تغير الشكل)، وتحافظ على استقرارها الكيميائي، وقوتها. على سبيل المثال، ينصهر التنغستن عند 3422 درجة مئوية (أعلى درجة انصهار بين المعادن)، وتكون قوته أكثر من ضعف قوة الحديد في درجة حرارة الغرفة. يتبخر الرينيوم بسهولة في الهواء، لذا يحتاج إلى حماية في غاز خامل للحفاظ على خصائصه. بفضل قدراتها الخاصة، تُعد المعادن الحرارية مواد أساسية للصناعات عالية الحرارة.

المعادن الحرارية في الصناعة

الفضاء: تُستخدم سبيكة النيوبيوم C103 (مع الهافنيوم والتيتانيوم ) في صناعة أجزاء رقيقة الجدران لمحركات الصواريخ باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر (DED-LP). تُظهر أبحاث ناسا أنه بعد معالجات حرارية خاصة، يمكن لهذه السبائك أن تدوم لأكثر من 50,000 دورة إجهاد. مع ذلك، قد تتشقق الأجزاء المطبوعة رأسيًا بين طبقاتها أحيانًا.

طبيًا: يُعدّ التنتالوم الخيار الأمثل لزراعة العظام لأنه لا يتفاعل مع أنسجة الجسم. تحتوي أجزاء التنتالوم المسامية المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على ثقوب صغيرة (20-80 ميكرومترًا) تُساعد خلايا العظام على النمو داخلها. تستخدم الشركات الألمانية تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) لطباعة ألواح إصلاح جماجم مُخصصة ثلاثية الأبعاد مباشرةً، مما يُوفر خطوات معالجة إضافية.

الابتكارات في تصنيع المعادن الحرارية

إن تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد (التصنيع الإضافي) ومعالجة المساحيق الجديدة تجعل التعامل مع المعادن الحرارية أسهل:

مساحيق أفضل: يطور معهد أمريكا ميكس وشركة 6K Additive مسحوق سبيكة نيوبيوم C103 مُحسّن. باستخدام تقنية دمج طبقة المسحوق (PBF) وطباعة DED، يُهدف إلى استخدام أكثر من 95% من المادة. عولج مسحوق النيكل والسيليكون (Ni-Si) بعملية بلازما لتحسين انسيابيته. هذا يزيد من صلابة الطلاءات المطبوعة ثلاثية الأبعاد بنسبة 30%، إلا أن ارتفاع نسبة السيليكون قد يُسبب شقوقًا صغيرة بسبب الإجهاد المتبقي.

التلبيد الجديد: تُصنّع شركة FCT Systems (ألمانيا) أفران ميكروويف تجارية لتلبيد القطع الكبيرة (حتى 500 مم). يُصبح مسحوق التنغستن المُعالَج بهذه الطريقة أقوى بنسبة 50% (يصل إلى 1200 ميجا باسكال) مقارنةً بالطرق القديمة. ويُستخدم هذا الآن لإنتاج فوهات دفع الأقمار الصناعية بكميات كبيرة.

إعادة تدوير المعادن الثمينة : تُعيد عملية قطب البلازما الدوار (PREP) تدوير نفايات سبائك التيتانيوم إلى مسحوق يحتوي على نسبة منخفضة جدًا من الأكسجين (0.05%)، بتكلفة أقل بنسبة 40% من المسحوق الجديد. تطبع شركة سامسونج (كوريا) شبكات هوائيات الجيل الخامس باستخدام معجون الفضة النانوية. يتطلب هذا المعجون حرارة أقل بكثير (150 درجة مئوية) ليجف، ويتميز بمقاومته الكهربائية المنخفضة جدًا (2.5 ميكرو أوم·سم²)، مما يفتح المجال لاستخدامات جديدة للمعادن المقاومة للحرارة في الإلكترونيات منخفضة الحرارة.