Ames Lab Alloy สามารถเพิ่มเครื่องบินขับไล่ไอพ่นรุ่นต่อไปได้

นักวิจัยจากศูนย์เตรียมวัสดุของ Ames Laboratory จะผลิตโลหะผสมอะลูมิเนียม-อิตเทรียม-นิกเกิลประมาณ 400 ปอนด์ในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้า ซึ่งจะใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับการทดสอบและช่วยปรับปรุงเทคนิคการผลิตเชิงพาณิชย์ วัสดุนี้กำลังได้รับการพัฒนาร่วมกับผู้ผลิตเครื่องยนต์อากาศยาน Pratt & Whitney และพันธมิตรภาครัฐและเอกชนรายอื่นๆ เพื่อทดแทนส่วนประกอบที่หนักกว่าหรือมีราคาสูงกว่าในส่วน "เย็น" ของเครื่องยนต์ไอพ่น วัสดุนี้ยังสามารถนำไปใช้ในส่วนอื่นๆ ของเครื่องบิน เช่น ปีกสปาร์ Larry Jones ผู้อำนวยการ MPC กล่าวว่า "เมื่อพูดถึงการออกแบบเครื่องบิน คุณต้องการวัสดุที่แข็งแรงและเบาที่สุดเพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด “เรา (MPC) มีความเชี่ยวชาญ ความสามารถในการแปรรูป และวัตถุดิบที่มีความบริสุทธิ์สูงในการพัฒนาโลหะผสมที่ตอบสนองความต้องการสำหรับโครงการนี้” หากวัสดุใหม่นี้ทำงานได้ตามความคาดหวัง อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อสมรรถนะและประสิทธิภาพของเครื่องบินพาณิชย์และเครื่องบินทหาร โจนส์กล่าวว่าวิศวกรของ Pratt & Whitney ประเมินว่าการเปลี่ยนส่วนประกอบต่างๆ ในเครื่องยนต์ไอพ่นหนึ่งเครื่องด้วยโลหะผสม Al-Y-Ni อาจทำให้เครื่องยนต์เบาลงได้ 350 ปอนด์ นั่นคือการลดน้ำหนักทางดาราศาสตร์ในการออกแบบเครื่องบิน ซึ่งโดยปกติแล้ววิศวกรยินดีที่จะลดน้ำหนักของส่วนประกอบลงสองสามปอนด์ตรงนี้หรือตรงนั้น “นั่นหมายถึงความสามารถในการบรรทุกเชื้อเพลิงหรือน้ำหนักบรรทุกได้มากขึ้น” โจนส์กล่าว “มันอาจหมายถึงต้นทุนการผลิตที่ลดลงด้วย” ชี้ให้เห็นว่าผนังกั้นที่สกัดจากไททาเนียมก้อนแข็งสำหรับ JSF นั้นต้องใช้เวลาหลายเดือนในการประดิษฐ์ โลหะผสมนี้ผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการที่เรียกว่าการทำให้เป็นละอองของก๊าซแรงดันสูง บุกเบิกที่ Ames Laboratory ในปี 1990 โดยนักโลหะวิทยา Iver Anderson กระบวนการ HPGA ใช้หัวฉีดพิเศษเพื่อระเบิดกระแสของวัสดุโลหะผสมที่หลอมเหลวด้วยก๊าซที่มีแรงดัน เช่น ฮีเลียมหรือไนโตรเจน ผลที่ได้คืออนุภาคโลหะละเอียดแบบผงซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีที่สม่ำเสมอสูง และเนื่องจากพวกมันเย็นตัวเร็วมาก จึงแสดงโครงสร้างอสัณฐานของโลหะเหลวมากกว่าโครงสร้างผลึกที่มักพบในโลหะปริมาณมาก ปัจจุบันโลหะผงถูกอัดด้วยความร้อนด้วยสุญญากาศและอัดขึ้นรูปด้วยความร้อน ซึ่งเป็นกระบวนการที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคเข้าด้วยกันในขณะที่ยังคงรักษาโครงสร้างอสัณฐานบางส่วนไว้ โครงสร้างที่ตกผลึกบางส่วนเป็นอสัณฐานบางส่วนนี้ช่วยให้วัสดุที่ผลิตโดย HPGA ปรับปรุงคุณสมบัติ เช่น ความแข็งแรงและความเหนียว การทดสอบเบื้องต้นของโลหะผสม Al-Y-Ni ของ MPC แสดงให้เห็นว่ามีมากเกินกว่าที่มีจำหน่ายในท้องตลาด อะลูมิเนียมเกรดสำหรับ เครื่องบิน พาณิชย์ชั้นนำมีความต้านทานแรงดึง 70,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ในขณะที่โลหะผสมนี้มีค่าเกิน 100,000 psi ในการทดสอบเบื้องต้นซ้ำๆ อย่างไรก็ตาม การทดสอบโลหะผสม Al-Y-Ni ที่ผลิตโดยผู้ผลิตเชิงพาณิชย์กลับให้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจน้อยกว่าในช่วง 90,000-92,000 psi แม้ว่า "สูตรอาหาร" พื้นฐานจะเหมือนกัน แต่โจนส์กล่าวว่ามีปัญหาโดยธรรมชาติหลายอย่างที่ส่งผลต่อความแข็งแกร่งในท้ายที่สุด “ผงอะลูมิเนียมถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวด ดังนั้นพวกมันจึงระเบิดได้สูง” โจนส์กล่าว “การใช้ก๊าซไนโตรเจนในกระบวนการของเรา จะทำให้เกิดชั้นเคลือบผิวด้วยไนไตรด์ ดังนั้นผงจึงมีโอกาสน้อยที่จะระเบิดได้ ชั้นไนไตรด์นี้จะแตกตัวระหว่างการเผา ส่งผลให้เกิดพันธะระหว่างอนุภาคที่แข็งแรงมาก” ในทางตรงข้าม โจนส์อธิบายว่ากระบวนการเชิงพาณิชย์จะฉีดออกซิเจนเข้าไปในกระแสก๊าซที่ทำให้เป็นอะตอมเพื่อสร้างปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่ควบคุมได้ของผง แม้ว่าชั้นออกซิเดชันจะลดการระเบิดลง แต่ชั้นนี้ยังคงอยู่ระหว่างการเผาผนึก ส่งผลให้พันธะระหว่างอนุภาคอ่อนลง “ความบริสุทธิ์ของวัสดุที่เข้าไปในโลหะผสมนั้นส่งผลต่อความแข็งแรงโดยรวมด้วย” โจนส์กล่าว “วัสดุภายนอกใด ๆ จะส่งผลให้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายอ่อนแอลง และนั่นรวมถึงปฏิกิริยาออกซิเดชันที่เกิดขึ้นด้วย” เพื่อแก้ไขปัญหานี้ วัสดุที่ผลิตโดย MPC จะถูกเก็บไว้ในสภาพแวดล้อมเฉื่อยจนกว่ากระบวนการอัดร้อนสุญญากาศจะเสร็จสิ้น MPC ได้แก้ไขระบบ HPGA เพื่อดักจับผงในภาชนะภายใต้บรรยากาศเฉื่อย ผงจะถูกกรองให้มีขนาดน้อยกว่า 32 ไมครอนในกล่องถุงมือที่มีบรรยากาศเฉื่อย ก่อนที่จะส่งในภาชนะที่ปิดสนิทไปยัง DWA Aluminium Composites ในลอสแอนเจลิส ซึ่งกระบวนการอัดร้อนด้วยสุญญากาศจะเสร็จสมบูรณ์ หลังจากการกดด้วยความร้อนแบบสุญญากาศ บิลเล็ตที่ถูกอัดและผงซินเทอร์จะถูกอัดออกมา เพียงเท่านี้ก็จะได้สัมผัสกับบรรยากาศปกติแล้ว ผลที่ได้จะถูกนำไปศึกษาเพื่อช่วยแก้ไขและปรับปรุงการแปรรูปในระดับการค้า เงินทุนสำหรับการผลิตวัสดุประมาณ 475,000 ดอลลาร์มาจาก Pratt & Whitney และ Defense Advanced Research Projects Agency ซึ่งเป็นองค์กรวิจัยและพัฒนากลางของกระทรวงกลาโหม DARPA จัดการและกำกับโครงการวิจัยและพัฒนาพื้นฐานและประยุกต์ที่เลือกสำหรับ DOD และดำเนินการวิจัยและเทคโนโลยีที่มีความเสี่ยงและผลตอบแทนที่สูงมาก และที่ที่ความสำเร็จอาจให้ความก้าวหน้าอย่างมากสำหรับบทบาทและภารกิจทางทหารแบบดั้งเดิม “ทั้งหมดนี้เป็นผลมาจากการวิจัยวัสดุพื้นฐานที่ได้รับทุนสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์พลังงานพื้นฐาน (DOE's)” โจนส์กล่าว “เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นที่ได้เห็นกระบวนการทำให้เป็นละอองที่เราพัฒนาก้าวหน้ามาถึงจุดนี้ ซึ่งมันสามารถมีส่วนร่วมอย่างแท้จริงกับโครงการอย่าง JSF และอาจเป็นไปได้ว่าอุตสาหกรรมการบินและอวกาศทั้งหมด” Ames Laboratory ดำเนินการสำหรับ Department of Energy โดย Iowa State University ห้องปฏิบัติการดำเนินการวิจัยในประเด็นต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับระดับชาติ รวมถึงทรัพยากรพลังงาน การออกแบบคอมพิวเตอร์ความเร็วสูง การทำความสะอาดและฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม และการสังเคราะห์และการศึกษาวัสดุใหม่ๆ