จีนเปิดตัวอัลลอยใหม่ เคลมทนร้อน 2,400°C ใช้กับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์และจรวดไฮเปอร์โซนิกโดยเฉพาะ

ทีมนักวิจัยและวิศวกรวัสดุศาสตร์จากมหาวิทยาลัยสีอานเจียวตง (Xi'an Jiaotong University) ในจีน ประสบความสำเร็จในการพัฒนาโลหะผสม (Alloy) รุ่นใหม่ที่มีฐานมาจาก โลหะแทนทาลัม (Tantalum-based alloy) ซึ่งทนต่อแรงกดทับที่ระดับอุณหภูมิสูงถึง 2,400 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นความก้าวหน้าสำคัญในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศขั้นสูงของประเทศ

อัลลอยปัจจุบัน VS อัลลอยใหม่จากจีน

โดยทั่วไป โลหะจะเริ่มสูญเสียความแข็งแกร่งและอ่อนตัวลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเกินกว่า 60% ของจุดหลอมเหลว เนื่องจากโครงสร้างระดับอะตอมภายในโครงสร้างผลึกจะเริ่มมีความยืดหยุ่นและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ส่งผลให้วัสดุเกิดการบิดเบี้ยวเสียรูปทรง (Deformation) เมื่อต้องรับแรงกดดันเชิงกล

และแม้ว่าแร่แทนทาลัมจะมีจุดหลอมเหลวธรรมชาติสูงเกือบ 3,000 องศาเซลเซียส แต่โลหะผสมแทนทาลัมในอดีตก็ยังคงประสบปัญหาการสูญเสียความแข็งแรงเมื่อเผชิญความร้อนสูงจัด ในขณะที่โลหะผสมสมรรถนะสูงที่ใช้งานในปัจจุบัน เช่น นิเกิลซูเปอร์อัลลอยด์ (Nickel-based superalloy) จะเริ่มสูญเสียความแข็งแกร่งเชิงกลลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ระดับ 2,000 องศาเซลเซียส

ด้วยเหตุนี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์จีนจึงได้ออกแบบ สถาปัตยกรรมโครงสร้างจุลภาคภายใน (Internal microstructure) ชนิดพิเศษเพื่อชะลอกระบวนการเคลื่อนตัวของอะตอม ส่งผลให้โลหะผสมตัวใหม่สามารถรักษาเสถียรภาพการจัดเรียงตัวของโมเลกุลเอาไว้ได้ ณ อุณหภูมิ 2,400 องศาเซลเซียส

เป้าหมายอัลลอยใหม่จีน คือใช้ประกอบอาวุธ และเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ทั้งนี้ หากโลหะผสมแทนทาลัมรุ่นใหม่นี้สามารถผ่านการทดสอบและทำงานได้ตามสเปกนอกห้องปฏิบัติการ จะกลายเป็นวัสดุยุทธศาสตร์สำคัญที่เข้ามาพลิกโฉมการออกแบบทางวิศวกรรมในหลายอุตสาหกรรมขั้นสูง ได้แก่:

• อุตสาหกรรมการบินและขีปนาวุธไฮเปอร์โซนิก (Hypersonic missiles & aircraft): ชิ้นส่วนปีกและโครงสร้างส่วนหน้าที่ต้องเผชิญแรงเสียดทานอากาศระดับความเร็ว Mach 5+ หรือมากกว่า 6,125 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

• อุตสาหกรรมอวกาศและไอพ่น: ท่อไอพ่นจรวด (Rocket nozzles), ห้องเผาไหม้ (Combustion chambers), แผ่นป้องกันความร้อนของยานอวกาศ (Thermal protection systems) และกังหันแก๊สขั้นสูง (Advanced gas turbines)

• อุตสาหกรรมนิวเคลียร์: ชิ้นส่วนโครงสร้างภายในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์เจเนอเรชันใหม่ที่ต้องทนความร้อนสูงต่อเนื่อง

ก้าวต่อไปของอัลลอยใหม่จากจีน

อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ยังคงต้องผ่านการทดสอบอีกหลายขั้นตอน ทั้งในด้านความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ ความสามารถในการทนต่อวัฏจักรการทำความร้อนและเย็นลงซ้ำ ๆ (Thermal cycling) ตลอดจนการทนทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนในระยะยาว 

นอกจากนี้ แร่แทนทาลัมเป็นโลหะที่มีราคาสูง การนำมาผลิตในระดับอุตสาหกรรมจึงขึ้นอยู่กับการลดต้นทุนกระบวนการผลิตโดยไม่เสียคุณภาพทางวิศวกรรมด้วย โดยล่าสุด ผลงานการพัฒนาดังกล่าวได้ส่งตรวจความถูกต้องทางวิชาการ (peer-review) และได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสารวิชาการระดับโลกอย่างเนเชอร์ (Nature) เมื่อวันที่ 26 กรกฎาคมที่ผ่านมาเป็นที่เรียบร้อยแล้ว