الخصائص المبردة لسبائك الألومنيوم للغاز الطبيعي المسال وخدمة الفضاء الجوي

تعتبر سبائك الألومنيوم من بين المعادن الهيكلية القليلة التي تصبح أقوى بدلاً من أن تكون أكثر هشاشة عندما تنخفض درجة الحرارة إلى الصفر المطلق. وهذا السلوك يجعلها الاختيار الافتراضي لاحتواء الغاز الطبيعي المسال، وأعمدة فصل الهواء، والهياكل المغناطيسية فائقة التوصيل، وأجهزة الاختبار المبردة، حيث يحتاج الفولاذ إلى-درجات تم اختبارها وتحكم دقيق في درجة الحرارة-. ويكمن السبب في البنية البلورية وفي طريقة تحرك الانخلاعات عندما تكاد تكون الطاقة الحرارية غائبة.

ما أهمية البنية المكعبة للوجه-في درجات الحرارة المنخفضة

يحتوي الألومنيوم على شبكة مكعبة مركزية الوجه- بها اثني عشر نظام انزلاق، ولا يظهر أي انتقال -إلى-مطاط هش من النوع الموجود في الجسم-الفولاذ المكعب المركزي. يؤدي خفض درجة الحرارة إلى زيادة الضغط اللازم لتحريك الانخلاعات مع ترك عدد أنظمة الانزلاق المتاحة دون تغيير، وبالتالي تتصلب المادة دون فقدان القدرة على التشوه اللدن. ولهذا السبب يمكن إخماد مكون الألومنيوم في النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل دون الفقد المفاجئ للصلابة التي قد تصاحب الفولاذ الحديدي.

تعمل الموصلية الحرارية العالية للألمنيوم في نفس الاتجاه: فهي توزع الحرارة بشكل موحد من خلال أحد المكونات، مما يحد من التدرجات الحرارية المحلية التي من شأنها أن تولد ضغوطًا ثانوية عالية في جدار الوعاء أو دعامة الدعم.

اتجاهات الملكية الميكانيكية أقل من -150 درجة

تكتسب معظم سبائك الألومنيوم قوة الشد والخضوع عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من -150 درجة، في حين أن الاستطالة إما تزيد أو تبقى مستقرة بشكل أساسي بسبب قمع حركة التفكك وانتشار التشوه عبر الشبكة بدلاً من التوطين.

ترتفع قوة الشد تدريجيًا حتى تصل إلى درجة حرارة الهيليوم السائل، مع أكبر مكاسب نسبية في العائلتين 5xxx و1xxx.

يتم الاحتفاظ بالاستطالة أو تحسينها؛ على سبيل المثال، تحافظ سبيكة 5083 على استطالة تزيد عن 20% عند -269 درجة.

تنخفض حساسية الحز، لذلك تظهر عينات الشد المحززة عقوبة أقل بالنسبة للعينات الملساء مقارنة بدرجة حرارة الغرفة.

يمكن أن يتسارع نمو صدع التعب في ظل التدوير الحراري الشديد، لذلك يلزم تقييم التعب الحراري للمكونات المبردة المحملة دوريًا.

تظل صلابة الكسر عالية، وهي الخاصية التي تؤهل عائلة السبائك لخدمة الاحتواء.

التغيرات المعدنية في درجة الحرارة المبردة

التغييرات المثيرة للاهتمام هي ديناميكية حرارية وليست هيكلية. تنخفض قابلية ذوبان عناصر صناعة السبائك مثل المغنيسيوم بشكل حاد مع انخفاض درجة الحرارة، وبالتالي فإن أي مادة مذابة تكون أعلى بكثير من حد توازنها. ومع ذلك، يتم تجميد الانتشار بشكل فعال، لذا لا يمكن متابعة عملية تصلب الترسيب ولا يحدث زيادة في العمر- أثناء الخدمة. الآثار العملية هي:

تستمر الذرات المذابة في تثبيت الانخلاعات، وهو أحد أسباب ارتفاع قوة الخضوع.

يتم منع العمليات التي يتم التحكم فيها بالانتشار، بما في ذلك هطول الأمطار والانتعاش، بشكل كامل تقريبًا.

لا يحدث انتقال مطاوع-إلى-هش، على عكس المعادن المكعبة التي مركزها الجسم-.

يجب أن يؤخذ الانكماش الحراري في الاعتبار عند التصميم، لأن انكماش الألومنيوم يختلف عن انكماش الفولاذ أو المركب الذي يتم تثبيته به غالبًا.

هذه الخصائص هي التي تسمح باستخدام الألومنيوم في المكونات الهيكلية لأنظمة المغناطيس فائقة التوصيل، حيث تكون هناك حاجة إلى مادة غير مغناطيسية ومستقرة الأبعاد وموصلة للحرارة عند درجة حرارة الهيليوم السائل.

اختيار السبائك للخدمة المبردة

تظل سلسلة 5xxx العمود الفقري للاحتواء المبرد الملحوم لأنها تجمع بين المتانة المبردة مع مزاج غير قابل للمعالجة -بالحرارة- ولا يتأثر بحرارة اللحام. يتم بعد ذلك تحسين اختيار السبائك وفقًا لمتطلبات الانكماش الحراري والقوة المحددة للمكون.

قواعد اللحام والتصنيع للخدمة المبردة

اللحام هو المكان الذي يفشل فيه التصميم المبرد في أغلب الأحيان، لذلك يتم التحكم في التصنيع من خلال إجراءات مؤهلة بدلاً من حكم المشغل.

يجب أن يمنع اختيار المعدن الحشو التصلب؛ تعتبر حشوات المغنيسيوم المطابقة أو الأعلى قليلاً-نموذجية للمعادن الأساسية 5xxx.

يتم التحكم في مخاطر المسامية من خلال النظافة وغاز التدريع الجاف والمواد الاستهلاكية الخالية من الرطوبة-، نظرًا لأن التقاط الهيدروجين هو المصدر الرئيسي لمسامية اللحام.

يؤدي التمدد الحراري غير المتطابق بين اللحام والهيكل المجاور إلى حدوث إجهاد متبقي، والذي تتم إدارته من خلال تصميم الوصلة وتسلسل اللحام المتوازن والإجهاد -المسبق حيثما يكون ذلك مطلوبًا.

عادةً ما يتم تجنب المعالجة الحرارية بعد اللحام-لأعمال 5xxx لأنها تقدم القليل من الفوائد ويمكن أن تقلل من الخصائص؛ بالنسبة للسبائك القابلة للمعالجة بالحرارة-، يتم التحكم فيها حتى لا يتم تدمير الحالة المزاجية.

يتبع تأهيل الإجراء معيار لحام مناسب مثل ISO 15614-2 أو ASME القسم IX، بينما يتم توفير لوحة القاعدة نفسها وفقًا لمعيار ASTM B209 أو GB/T 3880.

يتم إجراء التحقق من التأثير والمتانة في درجة حرارة الخدمة، وليس في درجة حرارة الغرفة.

الأسئلة المتداولة

س: لماذا لا تصبح سبائك الألومنيوم هشة عند درجة الحرارة المبردة؟
تحافظ الشبكة المكعبة المركزية -وجهها على اثني عشر نظام انزلاق نشطًا مع انخفاض درجة الحرارة، وبالتالي يتصلب المعدن بدون التحول-إلى-الليونة الذي يظهر في الجسم-الفولاذ المكعب المركزي.

س: ما هي سبائك الألومنيوم الأكثر استخدامًا لاحتواء الغاز الطبيعي المسال؟
تعتبر السبائك 5083 هي المادة المرجعية: فهي تحتفظ بأكثر من 20% من الاستطالة عند درجة -269 درجة، وتلحم بدون مشكلة مزاجية قابلة للعلاج بالحرارة وتحافظ على صلابة عالية للكسر عند درجة حرارة الخدمة.

س: هل تزداد القوة عندما يتم تبريد الألمنيوم إلى ما دون -150 درجة؟
نعم. ترتفع قوة الشد والخضوع تدريجيًا مع انخفاض درجة الحرارة، مدفوعة بزيادة المقاومة لحركة التفكك، وعادةً ما يتم الاحتفاظ بالليونة أو تحسينها في نفس الوقت.

س: هل يمكن لحام الألومنيوم للأوعية المبردة دون -المعالجة الحرارية بعد اللحام؟
بالنسبة للسبائك 5xxx-، تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام غير ضرورية بشكل عام ويتم تجنبها، ولكن لا يزال يتعين أن تكون إجراءات اللحام مؤهلة لمعيار معترف به للتحكم في المسامية والتكسير والإجهاد المتبقي.

س: ما هو خطر التصميم الرئيسي في هياكل الألومنيوم المبردة؟
عدم تطابق الانكماش الحراري مع الهيكل الفولاذي أو المركب المجاور، مما يولد ضغوطًا متبقية وثانوية، جنبًا إلى جنب مع نمو صدع التعب في ظل التدوير الحراري المتكرر.

س: لماذا يتم استخدام-الألومنيوم 1xxx عالي النقاء في الأنظمة فائقة التوصيل؟
فهو يجمع بين التوصيل الحراري العالي والاستجابة المغناطيسية المنخفضة ويبقى مرنًا عند درجة حرارة الهيليوم السائل، وهو ما يناسب المكونات الهيكلية للناظم البردي والمغناطيس.