سبائك المغنيسيوم في صناعة الطيران: الفوائد والتطبيقات

منذ فجر القرن العشرين، استحوذت حدود استكشاف الفضاء على البشرية، حيث استثمرت القوى العالمية الكبرى بكثافة في هذا المجال التحويلي.

لقد شهد مجال استكشاف الإنسان للفضاء نمواً غير مسبوق، بدءاً من تصنيع الأقمار الصناعية المتقدمة إلى بعثات الرحلات الفضائية المأهولة الرائدة. وبينما حققنا إنجازات ملحوظة، لا تزال هذه الصناعة تواجه تحديات هائلة، ولا تزال العديد من التكنولوجيات الهامة في مراحلها الأولى من التطوير.

تتمثل إحدى أهم العقبات في هندسة الفضاء الجوي في اختيار المواد المثلى. فاختيار المواد يؤثر تأثيراً عميقاً على أداء المركبات الفضائية وموثوقيتها وكفاءتها، ومن ثم يلعب دوراً محورياً في تشكيل مسار استكشاف الفضاء.

تهدف هذه المقالة إلى إلقاء الضوء على أحدث مواد السبائك المعدنية المناسبة للتطبيقات الفضائية، مع التركيز بشكل خاص على سبائك المغنيسيوم. من خلال الأبحاث الدقيقة والاختبارات المكثفة، برزت سبائك المغنيسيوم كمكون رئيسي في مجموعة المواد المستخدمة في مجال الطيران.

سوف نتعمق في الظروف البيئية القاسية التي يجب أن تتحملها المركبات الفضائية في فراغ الفضاء، ونستكشف الخصائص الاستثنائية التي تجعل سبائك المغنيسيوم متميزة، ونوضح لماذا أصبحت هذه السبائك بشكل متزايد المادة المفضلة لتصنيع المركبات الفضائية في قطاع الطيران.

ستتناول مناقشتنا المزيج الفريد من نسبة القوة إلى الوزن العالية والخصائص الحرارية الممتازة وقدرات التدريع الكهرومغناطيسي الفائقة التي توفرها سبائك المغنيسيوم. كما سنتطرق أيضاً إلى أحدث التطورات في مجال سبائك المغنيسيوم المعدنية، بما في ذلك عناصر السبائك الجديدة وتقنيات المعالجة التي تعزز من صلاحيتها للفضاء.

لننطلق في هذه الرحلة التقنية لفهم الدور الحاسم لسبائك المغنيسيوم في دفع حدود استكشاف الفضاء.

ويُعد المغنيسيوم أحد أخف المعادن المستخدمة في الصناعة، ونتيجة لذلك، أصبحت مواد سبائك المغنيسيوم المطورة أخف السبائك المعدنية الصناعية كثافة.

قراءة ذات صلة: أفضل 10 تصنيفات عالمية لأقوى 10 معادن في العالم

بدأت ألمانيا الإنتاج الصناعي لسبائك المغنيسيوم في الثمانينيات واستخدمتها لأول مرة في إنتاج السيارات في الثلاثينيات. وحذا الاتحاد السوفييتي حذو الاتحاد السوفييتي واستخدم سبائك المغنيسيوم في صناعة إنتاج الطائرات في منتصف الثلاثينيات.

نظرًا للارتفاع السريع في الطلب، أولت كل قوة عالمية أهمية كبيرة لتطوير سبائك المغنيسيوم والبحث فيها واستخدامها من خلال مشاريع بحثية مختلفة.

تتمتع سبائك المغنيسيوم بالعديد من المزايا، بما في ذلك الكثافة المنخفضة والقوة النوعية العالية والتوصيل الحراري الجيد والوزن الخفيف. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي طرق المعالجة التقليدية إلى ضعف اللدونة، لذا فإن طرق المعالجة المختلفة طرق الصب تم تطويرها لتناسب التطبيقات المختلفة.

وحاليًا، تلعب سبائك المغنيسيوم دورًا حاسمًا في مختلف المجالات البحثية. وفي صناعة السيارات، تُستخدم على نطاق واسع في مكونات مثل نظام التحكم في الاتجاه، ومبيت علبة التروس، ولوحة العدادات، وغطاء المحرك، والإطار، والباب، وغيرها في العديد من البلدان المتقدمة.

في مجال الاتصالات الإلكترونية، فإن الخصائص الممتازة لسبائك المغنيسيوم تجعلها مثالية للاستخدام في المنتجات خفيفة الوزن والرقيقة، مما يجلب الأمل في تطوير منتجات خفيفة للغاية ورقيقة للغاية. العديد من المكونات الإلكترونية شائعة الاستخدام، مثل الكاميرات وأجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وشاشات البلازما والهواتف المحمولة، مصنوعة من سبائك المغنيسيوم.

في المجال الطبي، فإن المقاومة الجيدة للتآكل والاستقرار الكيميائي والفيزيائي لسبائك المغنيسيوم تجعلها مثالية للاستخدام كغرسات طبية سريرية.

تلعب سبائك المغنيسيوم أيضًا دورًا مهمًا في العديد من المجالات الأخرى وقيمتها لا تُقاس.

بالنسبة للمواد المستخدمة في المركبات الفضائية، يجب أن تتمتع بخصائص ممتازة مضادة للتقادم والتآكل، وأن تكون قادرة على تحمل البيئة الفضائية القاسية والتكيف معها، وأن تسمح للمركبة الفضائية بالبقاء بثبات في الفضاء. وتتمثل المتطلبات الأساسية لهذه المواد في الكثافة العالية والقوة والصلابة.

يمكن أن يؤدي استخدام مواد سبائك المغنيسيوم إلى تقليل استهلاك الوقود وتحسين مسافة الطيران وإطالة زمن الطيران. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج الطائرات إلى القوة والصلابة ويجب أن تكون قادرة على تحمل الأحمال الثابتة والمتناوبة الناجمة عن عوامل مختلفة مثل الإقلاع والهبوط، والطيران المناور، والعواصف. لذلك، فإن مقاومة الإجهاد لها أهمية كبيرة في مواد الطائرات.

نظرًا لوزنها الخفيف وقوتها النوعية وكثافتها المنخفضة وتوصيلها الحراري الجيد وغيرها من الخصائص الممتازة، تلبي مواد سبائك المغنيسيوم متطلبات المواد الفضائية الجوية.

تعمل اليابان والولايات المتحدة وبريطانيا وقوى عالمية أخرى على زيادة استثماراتها في أبحاث مواد سبائك المغنيسيوم. وتعمل جميع دول العالم حاليًا على زيادة إنتاجها من سبائك المغنيسيوم.

وتحتل الصين المرتبة الأولى في العالم من حيث موارد المغنيسيوم ومنشأه وصادراته، كما أنها تمتلك أكبر احتياطي من معدن المغنيسيوم. ومع ذلك، لا يزال هناك العديد من التحديات في الإنتاج الصناعي وتصنيع سبائك المغنيسيوم في الصين.

تعد تكنولوجيا إنتاج سبائك المغنيسيوم في الصين قديمة نسبيًا، مما يؤدي إلى انخفاض الإنتاجية وارتفاع استهلاك الطاقة وانخفاض القيمة الاقتصادية. كما أن نسبة الصادرات من سبائك المغنيسيوم في الصين منخفضة أيضًا، حيث يتم إنتاج جميع الصادرات تقريبًا وفقًا للعلامات التجارية الأجنبية.

ونادراً ما يتم تطوير التقنيات والمعدات الرئيسية المستخدمة في تصنيع سبائك المغنيسيوم ومعالجتها ذاتياً، وبدلاً من ذلك يتم اعتماد التقنيات والمعدات الأجنبية المتقدمة.

متطلبات الأداء للمواد الفضائية الجوية

غالبًا ما تحتاج المواد المستخدمة في مجال الفضاء الجوي إلى تلبية متطلبات درجات الحرارة العالية جدًا ودرجة الحرارة العالية والتفريغ العالي. وفي ظل الظروف القاسية مثل الضغط العالي والتآكل القوي والوزن، تحتاج المواد إلى الحد الأدنى من الحجم والكتلة مع الاستمرار في تلبية متطلباتها الوظيفية.

تحتاج بعض المواد إلى العمل في الغلاف الجوي أو في الفضاء لفترة طويلة دون صيانة، لذلك يجب أن تتمتع بموثوقية عالية وضمان الجودة.

تختلف متطلبات أداء المواد الفضائية الجوية باختلاف بيئة عملها.

تعاني المركبات الفضائية من تسخين ديناميكي هوائي في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والمحركات الغازية وإشعاع الشمس، مما يؤدي إلى طول فترة التعرض في الهواء، وأحياناً بسرعة تصل إلى ثلاثة أضعاف سرعة الصوت.

يجب أن تتمتع المواد المستخدمة في هذه البيئات بقوة تحمل في درجات الحرارة العالية، وقوة الزحف، والحرارة قوة الإجهادوالهواء ومقاومة الأكسدة، ومقاومة التآكل الحراري للوسائط المسببة للتآكل، مع هياكل مستقرة يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية لفترة طويلة.

يمكن أن تصل درجة حرارة المحركات الصاروخية إلى أكثر من 3000 درجة مئوية وسرعة تزيد عن 10 أرقام ماخ. وعندما يختلط المحرك الصاروخي بغاز الوقود الصاروخي الصلب والجسيمات الصلبة، فإن رأس الصاروخ الباليستي يدخل الغلاف الجوي بسرعة تزيد على 20 ماخ، مما يؤدي أحياناً إلى تآكل الجسيمات.

ولذلك، عادةً ما تنطوي البيئات ذات درجات الحرارة العالية في مجال تكنولوجيا الفضاء على درجة حرارة عالية وتدفق هواء عالي السرعة وتآكل الجسيمات. وفي الحالات التي يلزم فيها استخدام المواد لتوليد الحرارة، تُستخدم المواد ذات درجة الحرارة العالية واللزوجة العالية مع الخصائص الفيزيائية مثل الحرارة والتسامي.

يسبب ارتفاع درجة الحرارة والإشعاع الشمسي تقلبات في درجات الحرارة على أسطح الأقمار الصناعية والمركبات الهوائية في الفضاء، مما يتطلب التحكم في درجة الحرارة وطلاءات العزل للحفاظ على درجات حرارة منخفضة للوقود الدفعي الطبيعي والمنخفض الحرارة.

عند التحليق في طبقة الستراتوسفير بسرعات دون سرعة الصوت، تنخفض درجة حرارة سطح الطائرة إلى حوالي 50 درجة مئوية. وفي الدائرة القطبية، يمكن أن تكون درجات الحرارة في الشتاء أقل من 40 درجة مئوية. ولمنع التقصف، تحتاج المكونات إلى إطارات معدنية أو مطاطية. وتستخدم الصواريخ السائلة الأكسجين السائل (درجة الغليان -183 درجة مئوية) والهيدروجين السائل (درجة الغليان -253 درجة مئوية) كوقود دافع، مما يخلق ظروفاً بيئية أكثر قسوة للمواد.

معظم المواد المعدنية والمواد البوليمرية تصبح هشة في ظل هذه الظروف، ولكن من خلال تطوير أو اختيار المواد المناسبة، مثل الألومنيوم النقي وسبائك الألومنيوم، وسبائك التيتانيوم، والصلب منخفض الحرارة، والبولي تترافلوروإيثيلين، والبولي إيميد والبولي إيثيلين المشبع بالفلور، يمكن التخفيف من آثار مختلف الوسائط والبيئات الجوية على تآكل المواد وتقادمها، وقدرة تحمل درجات الحرارة، ومشاكل إحكام إغلاق الهياكل. ويشمل ذلك الوقود (مثل البنزين والكيروسين) الذي يتلامس مع المواد الفضائية الجوية والوقود الدفعي للصواريخ، بالإضافة إلى زيوت التشحيم والزيوت الهيدروليكية المختلفة.

قراءة ذات صلة: أنواع الألومنيوم وسبائك الألومنيوم

معظم المواد عرضة للتآكل القوي من المواد المعدنية وغير المعدنية على حد سواء.

وتحت تأثير إشعاع الشمس في الغلاف الجوي، تتوسع وتتآكل أكثر بفعل الرياح والأمطار.

يمكن أن يؤدي نمو العفن إلى تسريع عملية تقادم مواد البوليمر بشكل كبير عند تخزينها في بيئات رطبة تحت الأرض على مدى فترة طويلة من الزمن.

ولكي تكون المواد مناسبة للاستخدام في صناعة الطيران، يجب أن تُظهر المواد مقاومة جيدة للتآكل والتقادم والعفن.

تشمل الخصائص الفريدة لبيئة الفضاء الفراغ العالي (1.33 × 10 ميجا باسكال) والإشعاع بالأشعة الكونية.

في الفراغ العالي, المواد المعدنية على اتصال وثيق مع بعضها البعض، حيث يتم تنقية السطح، مما يؤدي إلى تسريع عملية الانتشار الجزيئي، مما يؤدي إلى حدوث "اللحام البارد.

يمكن أن يتسبب الفراغ العالي والإشعاع بالأشعة الكونية في عدممواد معدنية للتطاير السريع والتقدم في العمر.

في بعض الحالات، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تلوث العدسات البصرية بالمواد المتطايرة وفشل الأختام بسبب التقادم.

عادةً ما يتم اختيار المواد المستخدمة في الفضاء وتطويرها من خلال عمليات المحاكاة والاختبارات التي تُجرى على الأرض.

إن الهدف من تصميم الطائرات هو اختيار مواد خفيفة الوزن قدر الإمكان مع توفير الموثوقية المطلقة والسلامة وهامش للحياة. وهذا ضروري للتكيف مع البيئة الفضائية.

عندما يتم استخدام الطائرات مثل الصواريخ أو الصواريخ لفترة زمنية قصيرة فقط، يكون أداء المواد محدوداً.

وللاستفادة الكاملة من قوة المواد وضمان السلامة، يتم استخدام "مبدأ تصميم تحمل التلف" للمواد المعدنية. ويتطلب ذلك ألا تتمتع المواد بقوة نوعية عالية فحسب، بل أيضًا صلابة عالية للكسر.

يتم تحديد بيانات مثل عمر بدء التشقق ومعدل نمو التشقق للمواد المستخدمة في ظروف المحاكاة، ويتم حساب طول التشقق المسموح به والعمر المقابل.

يجب أن تخضع المواد العضوية غير المعدنية للتقادم الطبيعي واختبارات التقادم المتسارع الاصطناعي لتحديد عمرها الافتراضي وفترة التأمين. وهذا أساس مهم للتصميم والإنتاج.

خواص سبائك المغنيسيوم وخصائصها

(1) كثافة عالية

لطالما كان التحدي المتمثل في تقليل حمولة الوقود مشكلة ملحة في صناعة الطيران، مما يدفع إلى البحث المستمر عن مواد خفيفة الوزن وقوية في الوقت نفسه.

ومن بين السبائك المعدنية الهندسية المتاحة، تبرز سبائك المغنيسيوم بكثافتها المنخفضة بشكل استثنائي والتي تبلغ حوالي 1.8 جم/سم مكعب، أي حوالي ثلثي كثافة الألومنيوم (2.7 جم/سم مكعب) وربع كثافة الفولاذ (7.85 جم/سم مكعب). إن هذه الميزة الرائعة في الكثافة تجعل استخدام سبائك المغنيسيوم في هياكل الفضاء الجوي ليس فقط ممكناً، بل مفيداً للغاية.

تتيح سبائك المغنيسيوم، التي تمتلك أقل ثقل نوعي بين جميع السبائك الإنشائية، إمكانية تقليل وزن المكونات المصنوعة تقليدياً من الألومنيوم أو الفولاذ، دون المساس بالسلامة الميكانيكية. وتسمح قوتها النوعية العالية (نسبة القوة إلى الوزن) بتصميم أجزاء تحافظ على الأداء أو حتى تعززه مع تقليل الكتلة بشكل كبير.

ونتيجة لذلك، تم استخدام سبائك المغنيسيوم على نطاق واسع في تطبيقات الطيران، بدءاً من الأجزاء الداخلية للطائرات ومكونات المقاعد إلى علب التروس وأغلفة المحركات. هذا الاستخدام الواسع النطاق لا يقلل بشكل كبير من الوزن الإجمالي لهيكل الطائرة فحسب، بل يقلل أيضاً بشكل كبير من حمولة الوقود المطلوبة لمهمة معينة.

إن تأثير دمج سبائك المغنيسيوم على أداء الطائرة متعدد الأوجه. فمن خلال تقليل الوزن الفارغ للطائرة، يسمح ذلك بزيادة سعة الحمولة الصافية أو زيادة المدى. وعلاوة على ذلك، يؤدي انخفاض استهلاك الوقود إلى خفض تكاليف التشغيل وتقليل الأثر البيئي من خلال خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. تساهم هذه الفوائد مجتمعة في تعزيز كفاءة الطائرة وتحسين خصائص الطيران وزيادة المرونة التشغيلية.

(2) نسبة القوة العالية

تشتهر سبائك المغنيسيوم بمزيجها الاستثنائي من القوة النوعية العالية والكثافة المنخفضة، مما يجعلها جذابة بشكل متزايد في التطبيقات الهندسية المتقدمة.

بالمقارنة مع سبائك الألومنيوم والفولاذ، تقدم سبائك المغنيسيوم خصائص فائقة من حيث نسبة القوة إلى الوزن. وعادةً ما تُظهر كثافة أقل من الألومنيوم بحوالي 35% و75% أقل من الفولاذ، مع الحفاظ على خصائص القوة التنافسية.

وبالتالي، تُعد مواد سبائك المغنيسيوم ذات قيمة خاصة في صناعة الطيران، حيث يكون تقليل الوزن أمرًا بالغ الأهمية. يمكن استخدام هذه السبائك لإنتاج مكونات حرجة تحتاج إلى تحمل أحمال كبيرة مع تقليل الكتلة الكلية. وتشمل الأمثلة على ذلك العناصر الهيكلية لكبائن المركبات الفضائية وأغلفة المحركات وأغلفة ناقل الحركة ومكونات معدات الهبوط. يمكن أن يؤدي استخدام سبائك المغنيسيوم في هذه التطبيقات إلى وفورات كبيرة في الوزن وتحسين كفاءة استهلاك الوقود وتعزيز قدرة الحمولة دون المساس بالسلامة الهيكلية أو الأداء.

(3) تبديد جيد للحرارة

تتميز سبائك المغنيسيوم بخصائص إدارة حرارية فائقة مقارنةً بالسبائك المعدنية الأخرى، خاصةً في تطبيقات تبديد الحرارة.

يكون التدرج الحراري بين القاعدة والجزء العلوي للمشتت الحراري المصنوع من سبائك المغنيسيوم أكثر انحدارًا بشكل كبير من ذلك الذي لوحظ في المشتتات الحرارية المصنوعة من سبائك أخرى. يعمل هذا الفرق الواضح في درجة الحرارة على تسريع الحمل الحراري للهواء داخل هيكل المشعاع، مما يعزز بشكل كبير من كفاءة تبديد الحرارة بشكل عام.

وتسهم الموصلية الحرارية العالية لسبائك المغنيسيوم (تتراوح عادةً بين 51 إلى 156 واط/م-ك حسب تركيبة السبيكة المحددة) في ميزة الأداء هذه. وبالإضافة إلى ذلك، تسمح كثافة المغنيسيوم المنخفضة (حوالي 1.8 جم/سم مكعب) بتصميم أحواض حرارية ذات مساحة سطحية أكبر دون تكبد عائق كبير في الوزن، مما يزيد من تحسين قدرات نقل الحرارة.

من الناحية الكمية، في ظل ظروف متساوية الحرارة، يُظهر المبرد المصنوع من سبائك المغنيسيوم ضعف معدل تبديد الحرارة تقريبًا من المبرد المكافئ المصنوع من سبائك الألومنيوم. ويترجم هذا إلى انخفاض بمقدار 501 تيرابايت في الوقت اللازم لتحقيق انخفاض محدد في درجة الحرارة، مما يجعل سبائك المغنيسيوم جذابة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب إدارة حرارية سريعة، كما هو الحال في أنظمة تبريد الطيران والسيارات والإلكترونيات عالية الأداء.

(4) تأثير جيد لامتصاص الصدمات

في النطاق المرن، تُظهر سبائك المغنيسيوم سلوكًا ميكانيكيًا فريدًا عند تعرضها لأحمال الصدمات. حيث تسمح قوتها النوعية العالية ومعاملها المرن المنخفض نسبياً بالتشوه المرن المتحكم فيه، مما يتيح لهذه السبائك امتصاص كميات كبيرة من طاقة الصدمات مع الحفاظ على السلامة الهيكلية. وينتج عن هذه الخاصية خصائص تخميد اهتزاز فائقة مقارنةً بالعديد من المعادن الإنشائية الأخرى.

تُترجم قدرة سبائك المغنيسيوم الاستثنائية على امتصاص الطاقة إلى أداء ممتاز في تخفيف الصدمات. عند حدوث اصطدام، تعمل البنية المجهرية للسبائك على تبديد الطاقة الحركية بكفاءة من خلال الإجهاد المرن، مما يقلل من حجم موجات الإجهاد المنتشرة عبر المادة. تعمل هذه الآلية على تخفيف الاهتزازات بشكل كبير، مما يعزز الاستقرار الهيكلي العام وراحة الركاب في تطبيقات الطائرات.

وعلاوة على ذلك، تساهم خصائص التخميد المتأصلة في سبائك المغنيسيوم في قدراتها الرائعة في الحد من الضوضاء. تؤدي قدرة السبيكة على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى حرارة من خلال آليات الاحتكاك الداخلي إلى انخفاض كبير في انتقال الطاقة الصوتية. تخفف هذه الخاصية بفعالية من الضوضاء المنقولة جواً والمنقولة جواً على حد سواء، مما يؤدي إلى بيئة أكثر هدوءاً في المقصورة وتقليل الإجهاد الناجم عن الضوضاء في مكونات الطائرة.

إن الجمع بين خصائص امتصاص الصدمات الفائقة وخصائص الحد من الضوضاء يجعل سبائك المغنيسيوم ذات قيمة خاصة في تطبيقات الطيران. لا تعزز هذه الخصائص راحة الركاب فحسب، بل تلعب أيضًا دورًا حاسمًا في التخفيف من المشاكل المتعلقة بالإجهاد في هياكل الطائرات، وبالتالي تساهم بشكل كبير في سلامة الطيران بشكل عام وطول عمر مكونات الطائرة. يمكن أن يؤدي استخدام سبائك المغنيسيوم في مواقع استراتيجية إلى تحسين الأداء الهيكلي وتقليل متطلبات الصيانة وتعزيز الكفاءة التشغيلية للطائرات.

(5) إعادة التشكيل الجيد

في أوائل القرن العشرين، تم تطبيق تقنية الصب بالقالب لأول مرة على سبائك المغنيسيوم، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تشكيل المعادن خفيفة الوزن. وقد سمحت هذه العملية بالإنتاج السريع لأشكال معقدة ذات دقة أبعاد عالية وتشطيبات سطحية ناعمة.

ومع ذلك، واجهت طرق الصب بالقالب التقليدية تحديات في إنتاج مكونات سبائك المغنيسيوم عالية التكامل. وشملت هذه القيود العيوب السطحية مثل الإغلاق على البارد وخطوط التدفق، بالإضافة إلى مشاكل الجودة الداخلية مثل المسامية وتجاويف الانكماش. ونتيجة لذلك، تم توجيه جهود البحث والتطوير المكثفة نحو تعزيز عملية الصب بالقالب وتطوير تكنولوجيا صب سبائك المغنيسيوم.

تتمتع سبائك المغنيسيوم بسيولة ممتازة وحرارة اندماج كامنة منخفضة، مما يجعلها مناسبة للغاية لتصنيع الأجزاء الهيكلية ذات الأشكال الهندسية المعقدة والمقاطع الجدارية الرقيقة. هذه الخصائص، بالإضافة إلى كثافة المغنيسيوم المنخفضة (حوالي 1.8 جم/سم مكعب، وهو ما يعادل 351 تيرابايت/ثلاثة أضعاف أخف من الألومنيوم)، مما يجعله مثاليًا لإنتاج مكونات خفيفة الوزن ذات قدرات تحميل صغيرة إلى متوسطة. وتشمل التطبيقات الشائعة مكونات محركات السيارات مثل أحواض الزيت وأغطية الصمامات، بالإضافة إلى حوامل دواسات المكابح وأذرع عجلة القيادة. وقد ساهمت التطورات الأخيرة في عمليات الصب بالقالب عالي الضغط (HPDC) وعمليات الصب شبه الصلبة (SSM) في توسيع نطاق استخدام سبائك المغنيسيوم في التطبيقات الهيكلية الأكثر تطلبًا.

(6) مقاومة التآكل

يتجلى تأثير مختلف الوسائط والظروف الجوية على المواد الفضائية الجوية في المقام الأول على شكل تآكل وتدهور. تتعرض هذه المواد لمجموعة واسعة من المواد العدوانية، بما في ذلك وقود الطائرات (مثل بنزين الطائرات ووقود الطائرات)، والوقود الدافع للصواريخ (مثل حمض النيتريك المركز ورابع أكسيد النيتروجين والهيدرازين)، ومواد التشحيم والسوائل الهيدروليكية. تُظهر العديد من هذه المواد تأثيرات تآكل أو تحلل قوية على كل من المواد المعدنية وغير المعدنية.

بالنسبة لمواد البوليمر، يمكن أن تتسارع عملية التقادم بسبب التعرض الطويل للعوامل البيئية مثل الأشعة فوق البنفسجية وتقلبات درجات الحرارة والرطوبة. وعلى وجه الخصوص، يمكن أن يؤدي التعرض للرطوبة العالية والنمو الميكروبي في البيئات تحت الأرض أو البيئات سيئة التهوية إلى تدهور كبير.

وبالتالي، تُعد مقاومة التآكل والتدهور البيئي والهجوم الميكروبي من الخصائص المهمة للمواد الفضائية الجوية. وينطبق هذا الأمر بشكل خاص على سبائك المغنيسيوم، التي تتسم بالتفاعل الشديد وعرضة للتآكل السريع بسبب انخفاض قدرتها الكهروكيميائية.

ولذلك فإن حماية سطح سبائك المغنيسيوم ذات أهمية قصوى. وفي حين أن الطلاءات التحويلية الكيميائية كانت تستخدم تقليدياً، إلا أن الأكسدة الأنودية أصبحت الطريقة المفضلة منذ الثمانينات نظراً لخصائصها الوقائية الفائقة والتحكم في العملية.

كشفت الأبحاث الحديثة حول الأجواء الواقية لصب سبائك المغنيسيوم، خاصةً باستخدام مخاليط غاز CO2+SF6، عن تكوين طبقة واقية على سطح السبيكة. يتكون هذا الفيلم من طبقة أولية من MgO، مع أيونات F التي تعمل كوسيط بين MgO والمغنيسيوم السائل لتشكيل MgF2. يعزز هذا الهيكل ثنائي الطبقة من تماسك الفيلم وطبيعته الوقائية.

ومع ذلك، وبسبب المخاوف البيئية المرتبطة بغاز سادس فلوريد الكبريت SF6 (وهو غاز دفيئة قوي)، يبحث الباحثون بنشاط عن غازات وقائية بديلة ذات تأثير بيئي أقل، والتي لا تزال تحتوي على الفلور لتوفير حماية فعالة.

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن سبائك المغنيسيوم معرضة بشكل كبير للتآكل في العديد من البيئات القلوية، إلا أنها تُظهر ثباتًا ممتازًا في بعض الظروف القلوية الخاصة بالمركبات الفضائية. هذه الخاصية الفريدة تجعلها ذات قيمة لتطبيقات فضائية محددة، شريطة تنفيذ تدابير الحماية المناسبة.

(7) بعض الخواص الكيميائية مستقرة

تُظهر سبائك المغنيسيوم ثباتًا كيميائيًا ملحوظًا في مختلف المركبات العضوية، وخاصة الهيدروكربونات مثل البنزين والكيروسين. هذه المقاومة للتآكل والتدهور في بيئات الوقود تجعلها مرشحة مثالية لتطبيقات محددة في مجال الطيران والسيارات.

وبالتالي، تُستخدم سبائك المغنيسيوم على نطاق واسع في تصنيع خزانات وقود البنزين والكيروسين، بالإضافة إلى مكونات المحرك الحرجة المعرضة لهذه الأنواع من الوقود، مثل التروس وأنظمة المكابح ومكونات توصيل الوقود. وتعزز كثافتها المنخفضة ونسبة قوتها إلى وزنها العالية من ملاءمتها لهذه التطبيقات، مما يساهم في تقليل الوزن الإجمالي وتحسين كفاءة استهلاك الوقود.

اعتمدت صناعة الطيران، في القطاعين المدني والعسكري على حد سواء، سبائك المغنيسيوم على نطاق واسع. ومن الأمثلة البارزة على ذلك قاذفة القنابل B-25 ميتشل، حيث تلعب سبائك المغنيسيوم دوراً حاسماً في بناء هيكل الطائرة. وعلى وجه التحديد، تضم طائرة B-25 حوالي 90 كجم من أجزاء سبائك المغنيسيوم المبثوقة وأكثر من 200 كجم من سبائك المغنيسيوم المسبوكة. ويساهم هذا الاستخدام المكثف لسبائك المغنيسيوم في تصميم الطائرة خفيف الوزن، مما يعزز من أدائها ومداها.

بالإضافة إلى الطائرات، وجدت سبائك المغنيسيوم تطبيقات في أنظمة الصواريخ المتقدمة ومكونات الأقمار الصناعية. فعلى سبيل المثال، يستخدم نظام صاروخ أرض-جو الصيني HQ (هونغ تشي أو العلم الأحمر) سبائك المغنيسيوم في الهياكل الحرجة مثل حجرة الأجهزة والقسم الخلفي وحوامل المحرك. إن القوة النوعية العالية للسبائك وخصائص التخميد الاهتزازية الممتازة وخصائص الإدارة الحرارية تجعلها مناسبة بشكل خاص لهذه التطبيقات الفضائية المتطلبة، حيث يكون تقليل الوزن والاستقرار الحراري أمرًا بالغ الأهمية.

(8) مقاومة درجات الحرارة

تُظهر سبائك المغنيسيوم مقاومة استثنائية لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة على حد سواء، مما يجعلها مناسبة تماماً للظروف البيئية القاسية التي تواجهها المركبات الفضائية. يمكن لهذه السبائك بشكل عام أن تتحمل الضغوط الحرارية التي تواجهها التطبيقات الفضائية، بدءاً من الحرارة الشديدة في العودة إلى الغلاف الجوي إلى البرودة الشديدة في الفضاء السحيق.

على عكس بعض المواد المعدنية التي تكون عرضة للتليين أو الذوبان في المناطق ذات درجات الحرارة العالية في الفضاء، تحافظ سبائك المغنيسيوم على سلامتها الهيكلية. وتضمن مقاومتها لدرجات الحرارة العالية قدرتها على تحمل الأحمال الحرارية التي تواجهها خلال مختلف مراحل الرحلات الفضائية، بما في ذلك الإطلاق والعودة إلى الفضاء.

وفي الوقت نفسه، تُظهر سبائك المغنيسيوم قدرة ممتازة على التكيف في درجات الحرارة المنخفضة وخصائص عزل حراري. وهذه الخاصية ضرورية لحماية المكونات الداخلية للمركبات الفضائية وضمان تشغيلها الطبيعي في الفراغ البارد في الفضاء.

إن الخواص الميكانيكية لسبائك المغنيسيوم جديرة بالملاحظة بشكل خاص في درجات الحرارة المرتفعة. فهي تحافظ على قوتها وصلابتها في البيئات الفضائية، مما يوفر أساساً متيناً للسلامة الهيكلية أثناء البعثات الفضائية.

في صناعة الطيران، تكون متطلبات المواد اللازمة لإنتاج الطائرات والمركبات الفضائية صارمة للغاية. يجب أن يفي كل مكون بالمعايير الصارمة للأداء والموثوقية والسلامة. وفي حين أن تلبية هذه المتطلبات باستخدام مواد صناعية تقليدية يمكن أن تكون صعبة، إلا أن الخصائص الفريدة لسبائك المغنيسيوم تتوافق بشكل استثنائي مع متطلبات التصنيع في مجال الطيران.

تجد سبائك المغنيسيوم تطبيقات عبر مجموعة واسعة من مكونات المركبات الفضائية، من العناصر الهيكلية إلى أجزاء المحرك. وتقلل كثافتها المنخفضة بشكل كبير من الكتلة الإجمالية للمركبة الفضائية، مما يترجم مباشرة إلى انخفاض الاحتياجات من الوقود وإطالة مدة البعثة.

تضمن القوة النوعية العالية والصلابة النوعية لسبائك المغنيسيوم ثبات المركبة الفضائية وتوفر أداءً هيكلياً ممتازاً في الفضاء. وتساهم هذه الخصائص في قدرة المركبة على تحمل ضغوط الإطلاق والمناورة والاصطدامات المحتملة من الحطام الفضائي.

تدعم قابلية التشغيل الآلي الجيدة وقابلية التشكيل الجيدة لسبائك المغنيسيوم تصنيع مكونات المركبات الفضائية المعقدة، مما يسمح بتصميمات معقدة تحسن الأداء والوظائف.

توفر قدرة التخميد العالية لسبائك المغنيسيوم وسيلة موثوقة لقمع الاهتزاز، وهو أمر بالغ الأهمية لحماية المعدات الحساسة وضمان راحة الطاقم في البعثات المأهولة.

وبفضل مقاومتها للتآكل وأداءها في درجات الحرارة العالية وتوافقها القوي مع سبائك الألومنيوم (التي غالباً ما تستخدم جنباً إلى جنب في التطبيقات الفضائية)، تُظهر سبائك المغنيسيوم إمكانات قوية للاستخدام الموسع في تقنيات الفضاء.

إن الجمع بين هذه الخصائص المتميزة - خفة الوزن ونسبة القوة إلى الوزن العالية والثبات الحراري وقابلية المعالجة - يضع سبائك المغنيسيوم كمادة أساسية في تطوير قدرات الفضاء الجوي وتمكين بعثات استكشاف الفضاء المستقبلية.