در دههی ۱۹۶۰، مهندسان بخش Skunk Works شرکت لاکهید در بربنک، کالیفرنیا، پروژهای جاهطلبانه را آغاز کردند: ساخت پیشرفتهترین و سریعترین هواپیمای عملیاتی جهان، هواپیمای SR-71 Blackbird. این پرنده جاسوسی، توانایی پرواز با سرعتی بیش از سه برابر سرعت صوت در ارتفاع ۸۰,۰۰۰ پایی را داشت و برای مقاومت در برابر دماهای شدید، نزدیک به ۸۵ درصد از ساختار آن از آلیاژ تیتانیوم ساخته شد. اما همین فلز مقاوم، با یک دشمن پنهان و بسیار عجیب روبرو گشت که کسی تصورش را هم نمیکرد و سالها به یک معمای لاینحل تبدیل شده بود.
تیتانیوم، کلید پرواز در لبه فضا
هواپیمای SR-71 Blackbird (اسآر-۷۱ بلکبرد) که رکورد سرعت ۲,۱۹۳.۱۶۷ مایل بر ساعت و ارتفاع ۸۵,۰۶۸.۹۹۷ فوت را در ۲۸ ژوئیه ۱۹۷۶ به ثبت رساند، برای تحمل دمای بیش از ۳۰۰ درجه سانتیگراد ناشی از اصطکاک هوا، نیازمند مادهای انقلابی بود. آلومینیوم که فلز استاندارد صنعت هوافضا در آن زمان بود، در چنین دماهایی نرم شده و مقاومت خود را از دست میداد. تیتانیوم بهعنوان تنها راهحل عملی انتخاب شد؛ فلزی سبک، مستحکم و مقاوم در برابر حرارت، اما در عین حال کار با آن بسیار دشوار بود.
لوک دیاز اشاره میکند که پوستهی تیتانیومی SR-71 یک شاهکار مهندسی حرارتی بود و آلیاژ خاص Ti-13V-11Cr-3Al (شامل ۱۳ درصد وانادیوم، ۱۱ درصد کروم و ۳ درصد آلومینیوم) میتوانست یکپارچگی ساختاری خود را حفظ کند، حتی در نزدیکی موتورها که دما تا ۱۰۰۰ درجه فارنهایت (حدود ۵۳۸ درجه سانتیگراد) میرسید.
معمای ترکخوردگیهای مرموز بلکبرد
با وجود مقاومت تیتانیوم در برابر حرارت، مشکل جدیدی پدیدار شد: برخی قطعات تیتانیومی پس از ساخت، تنها طی چند هفته ترک میخوردند یا دچار خوردگی میشدند، در حالی که قطعات مشابه دیگر بدون هیچ مشکلی باقی میماندند. آنچه این مسئله را پیچیده میکرد، الگوی عجیب شکست قطعات بود. مهندسان دریافتند که قطعات جوشکاری شده در فصل تابستان، به سرعت دچار مشکل میشوند، در حالی که قطعات ساخته شده در زمستان سالم میماندند.
هیچ تفاوتی در جنس تیتانیوم، تکنیک جوشکاری یا حتی کارگران وجود نداشت؛ تنها متغیر موثر، زمان ساخت بود. این نقص غیرقابل پیشبینی در ماده اصلی بدنه، تهدیدی جدی برای یکپارچگی هواپیمای SR-71 (اسآر-۷۱) بود که قرار بود ماموریتهای شناسایی را در مرزهای جو زمین انجام دهد، جایی که کوچکترین ترک یا شکست جوش میتوانست فاجعهبار باشد.
دشمن پنهان: وقتی آب لولهکشی شهری به تیتانیوم حمله میکند
مهندسان لاکهید با بررسی دقیق سوابق تولید، سرانجام راز این معما را کشف کردند. آنها با تطبیق زمان شکستها با هر مرحله از فرآیند تولید، ریشه مشکل را در چیزی یافتند که هیچکس حدسش را نمیزد: آبی که برای شستشوی پنلهای تیتانیومی پس از عملیات تمیزکاری با اسید استفاده میشد. تیتانیوم به برخی آلایندهها حساسیت بالایی دارد و شهر بربنک در ماههای تابستان برای جلوگیری از رشد جلبک، کلر اضافی به آب لولهکشی شهری اضافه میکرد. مقادیر ناچیز این کلر، هنگام شستشو با تیتانیوم واکنش نشان میداد.
در زمستان، دمای سردتر به طور طبیعی رشد جلبکها را سرکوب میکرد، بنابراین میزان کلر کاهش مییافت یا حذف میشد و به همین دلیل قطعات ساخته شده در زمستان آلوده نمیشدند. کلر و تیتانیوم ترکیبی بسیار خطرناک هستند. حتی در غلظتهای پایین، کلر میتواند باعث خوردگی تنشی در آلیاژهای تیتانیوم شود و فلز را در سطح میکروسکوپی ضعیف کند، مدتها قبل از اینکه هر آسیبی با چشم غیرمسلح قابل مشاهده باشد.
کشف دوم و راهحلهای هوشمندانه
پس از شناسایی علت اصلی، راهحل ساده بود: توقف کامل استفاده از آب لولهکشی شهری. از آن زمان به بعد، هر قطعه تیتانیومی در پروژه SR-71 (اسآر-۷۱) منحصرا با آب مقطر شسته میشد تا متغیر دوز کلر برای همیشه از معادله حذف شود. تحقیقات روی کلر، مهندسان را به بررسی دقیق سایر موادی که در طول ساخت با تیتانیوم در تماس بودند نیز سوق داد و آنها مشکل دوم و نامرتبط دیگری را یافتند.
ابزارهای استاندارد کارگاهی در آن زمان با کادمیوم آبکاری شده بودند که ردی از این فلز را روی پیچها و اتصالات تیتانیومی باقی میگذاشت. این کادمیوم باعث خوردگی گالوانیکی میشد، واکنشی بین فلزات غیرمشابه در تماس که به شکست برخی پیچها میانجامید. در نتیجه، لاکهید تمام ابزارهای آبکاری شده با کادمیوم را از خط تولید خارج کرد و آنها را با ابزارهایی سازگار با حساسیتهای شیمیایی تیتانیوم جایگزین نمود.
چرا این ماجرا هنوز اهمیت دارد؟
داستان کلر و کادمیوم اغلب بهعنوان یک نکته جالب درباره یک جت فوقسری جنگ سرد که موقتا توسط شیمی آب استخر (یا آب شهری) از کار افتاده بود، روایت میشود. اما این ماجرا اهمیت بسیار عمیقتری دارد و نشاندهنده روحیه نوآورانه مهندسان Skunk Works به رهبری افرادی مانند کلی جانسون و بن ریچ است. آنها در حال پیش بردن متالورژی و ساخت به قلمروهایی بودند که هیچ کتاب راهنمای از پیش تعیینشدهای برایشان وجود نداشت.
تیتانیوم در مقادیر و پیکربندیهای مورد نیاز برای SR-71 (اسآر-۷۱) هرگز قبلا امتحان نشده بود و مشکلاتی مانند شیمی فصلی آب شهری بهدلیل عدم نیاز به فکر کردن درباره آنها، پیشبینی نشده بودند. راهحلهای نهایی – آب مقطر، ابزارهای عاری از کادمیوم و کنترل دقیق فرآیند – به بخشی از دانش سازمانی تبدیل شدند که نهتنها SR-71، بلکه برنامههای هوافضایی تیتانیوممحور بعدی را نیز قابل اعتمادتر کرد. این یادآور میشود که در مرزهای مهندسی، حالتهای شکست میتوانند از غیرمنتظرهترین مکانها نشأت بگیرند و حل آنها اغلب نیازمند همان صبر و دقت کارآگاهی است که خود SR-71 را ممکن ساخت.