مسحوق سبيكة النيكل Udimet 520: الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد

المؤلف:إنريكي ج. لافيرنيا

إنريكه ج. لافيرنيا هو عالم مواد مشهور وأستاذ في جامعة تكساس إيه آند إم، وهو معروف بمساهماته الرائدة في مجال التصنيع الإضافي. يركز بحثه على المساحيق المعدنية، بما في ذلك الانحلال وخصائصها وتأثيرها على جودة الأجزاء، بالإضافة إلى تطور البنية المجهرية والأداء الميكانيكي للسبائك المتقدمة أثناء عمليات الإضافة.

قام بتطوير فهم وتطبيق المواد المعقدة مثل سبائك الألومنيوم والسبائك عالية الاستقطاب في التصنيع الإضافي وشارك في تأليف أعمال موثوقة حول المساحيق المعدنية للتصنيع الإضافي، مما أثر بشكل كبير على كل من البحث العلمي والممارسة الصناعية.

مسحوق سبائك النيكل Udimet 520 القائم على النيكل: فصل جديد في التصنيع الإضافي للمخضرمين ذوي درجات الحرارة العالية

A. التركيب المادي والخصائص المعدنية

كما تعلمون، غالبًا ما أقارن أوديميت 520 بـ "فريق منسق جيدًا". فأداؤه المتميز ليس بأي حال من الأحوال نتيجة لعنصر واحد، بل هو نتيجة للتعاون المثالي بين جميع "اللاعبين" كل في واجباته.

النيكل مثل المصفوفة، وهو بلا شك "القبطان"، ولكن ما يمنحها فعالية قتالية فائقة حقًا هو تلك العناصر المصنوعة من السبائك:

• الكروم (Cr): هذا هو ببساطة "الطلاء المضاد للتآكل" و "الدرع المضاد للأكسدة" للمادة ". خاصةً في تلك البيئة ذات درجات الحرارة المرتفعة التي تصل إلى مئات الآلاف من الدرجات، وبدون ذلك ربما لم تكن المادة قادرة على التحمل. إن تجربتي الشخصية هي أن المحتوى العالي من الكروم أمر بالغ الأهمية لسلامة سطح مطبوعاتنا.
• الكوبالت (Co): أسميه "المثبت" و"المعزز". يمكن أن يجعل المصفوفة الأوستنيتي مستقرة في درجات حرارة عالية، وفي الوقت نفسه، من خلال تقوية المحلول الصلب، يمكن للمادة الحفاظ على قوة كافية حتى في حالة السخونة الحمراء.
• الموليبدينوم (Mo) والتنغستن (W): هذه هي "معززات العضلات" النموذجية. إنها مثل "المسامير" المغروسة في الشبكة، مما يعيق حركة الخلع بشكل فعال. تخيل أنك تريد دفع حجر، لكنه مثبت في مكانه بمليون مسمار صغير، لذلك من الصعب دفعه. هكذا يحاربون الزحف.
• التيتانيوم (Ti) والألومنيوم (Al): هذا المزيج هو ببساطة "السلاح السري" لمادة Udimet 520 "! إنّ طور غاما برايم (γ') - Ni3(Ti,Al) - الذي تشكله هو "القوة النووية" لقوة المادة في درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف". وتنتشر هذه الرواسب النانوية النانوية γ'' بالتساوي في مصفوفة النيكل، تمامًا مثل إضافة عدد لا يحصى من القوالب الدقيقة إلى المادة، مما يدعم بقوة الهيكل العظمي للمادة، وأقول لكم أنه في التصنيع المضاف، فإن كيفية التحكم بدقة في ترسيب وحجم وتوزيع مرحلة جاما هو بالتأكيد التحدي الرئيسي الذي يحدد الأداء النهائي.
• كمية صغيرة من الكربون (C) والبورون (B) والزركونيوم (Zr): لا تنظر إلى محتواها الصغير، ولكن لا ينبغي الاستهانة بدورها. فهي مثل "الغراء"، حيث تعمل على تقوية حدود الحبيبات وتحسين صلابة كسر المادة. في الطباعة ثلاثية الأبعاد، يتم التحكم في حدود الحبيبات بشكل جيد، ولا تكون الأجزاء المطبوعة عرضة للتشققات.

وفيما يتعلق بالبنية المجهرية، فإن أكثر ما يميز Udimet 520 هو طور الترسيب γ'' الكثيف في مصفوفة γ-الأوستنيت. يمكنني أن أرى في لمحة سريعة أن انتظام التوزيع وحجم هذه الأطوار γ'' يرتبطان ارتباطًا مباشرًا بـ "صحة" الطباعة ". عندما يقوم مهندسونا بتحسين معلمات الطباعة، فإن جزءًا كبيرًا من طاقتهم ينصب على معرفة كيفية التحكم في مرحلة غاما الأولية من خلال طاقة الليزر واستراتيجية المسح الضوئي لجعلها تنمو "بشكل صحيح".

B. الأداء في عمليات التصنيع التقليدية

عندما لم تكن الطباعة ثلاثية الأبعاد "شائعة" لدينا، كان يتم تصنيع Udimet 520 بشكل أساسي عن طريق الصب والتشكيل بهذه العمليات التقليدية. فكر في الأقراص التوربينية للمحركات الهوائية وشفرات التوربينات الغازية. هذه هي الأجزاء "القلبية" التي تعمل تحت درجات حرارة شديدة وضغوط عالية. Udimet 520 هو "عمودها الفقري".

لقد وضع أداؤها الممتاز في الخدمة طويلة الأجل عند درجة حرارة تتراوح بين 700 و800 درجة مئوية وحتى درجات حرارة أعلى، بما في ذلك قوة الشد في درجات الحرارة العالية وقوة التمزق الزاحف وأداء التعب، "معيارًا" عالي الأداء للغاية لتصنيعنا المضاف". ما أفهمه هو أنه إذا تمكنت الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد لدينا من تحقيق أداء الأجزاء التقليدية أو حتى تجاوزها في البيئة نفسها، فهذه هي القدرة الحقيقية والميزة الحقيقية للتصنيع المضاف.

C. المتطلبات الخاصة للمساحيق المستخدمة في التصنيع الإضافي

حسناً، لنتحدث الآن عن "شريان الحياة" في التصنيع المضاف. Udimet 520 لاستخدامه في الطباعة ثلاثية الأبعاد. لا يمكن استخدام مسحوقه بشكل عرضي. فالمتطلبات "قاسية" حقًا و"واحدة في المليون".

توزيع حجم الجسيمات (توزيع حجم الجسيمات، PSD): هذا هو الأكثر أساسية. لا ينبغي أن تكون جزيئات المسحوق خشنة للغاية وليس من السهل ذوبانها. كما لا يمكن أن تكون دقيقة جدًا، فستكون السيولة ضعيفة جدًا، ومن السهل أن تعانق وتمتص الرطوبة. عادةً ما أختار نطاقًا ضيقًا جدًا وموحدًا لحجم الجسيمات، مثل النطاق الشائع الاستخدام 15-53 ميكرون، اعتمادًا على طاقة الليزر ونظام نشر المسحوق في معداتنا. في رأيي أن التوزيع المستقر لحجم الجسيمات هو "العتبة الأولى" لطباعة القطعة عالية الجودة ".

كروية (كروية): هذا مهم جدًا! يجب أن تكون جزيئات المسحوق مستديرة "كرات فولاذية صغيرة" بحيث يمكن أن تتدفق وتنساب بشكل متساوٍ مثل الماء عند نشر المسحوق. سيؤدي الشكل غير المنتظم للمسحوق، إلى أن تكون طبقة المسحوق غير متجانسة، مما يترك فجوة، ويؤدي مباشرةً إلى ثقوب أو عيوب في الطباعة. في كل مرة أحصل فيها على مسحوق جديد، سأتحقق عادةً من "شكل جسمها" تحت المجهر لمعرفة ما إذا كانت مستديرة بما يكفي.

السيولة (قابلية التدفق): يرتبط ذلك مباشرةً بسلاسة عملية الطباعة. ويعتمد ما إذا كان المسحوق يمكن أن يتدفق من القادوس "بطاعة" وينتشر بالتساوي على لوحة البناء على سيولته. عادةً ما نستخدم مقياس تدفق هول للقياس. سيولة ضعيفة للمسحوق، وطباعة جميع أنواع المشاكل، وانتشار المسحوق بشكل غير متساوٍ، وانقطاع التشكيل، إنه كابوس.

الكثافة المرخية (الكثافة الظاهرة) وكثافة الصنبور (كثافة الصنبور): تعكس هذه المعلمات "صلابة" تعبئة المسحوق ". يعني المسحوق عالي الكثافة أن هناك المزيد من المواد في نفس الحجم، الأمر الذي لا يمكن أن يحسن كفاءة الطباعة فحسب، بل يقلل أيضًا من تشوه الانكماش في عملية التلبيد إلى حد ما، وهو أمر مفيد جدًا للتحكم في دقة الأجزاء.

النقاء الكيميائي ومحتوى الأكسجين: هذا ببساطة "شريان الحياة في شريان الحياة"! بالنسبة إلى سبيكة Udimet 520 هذه السبيكة ذات درجة الحرارة العالية، فإن أي شوائب صغيرة، وخاصة الأكسجين والنيتروجين وهذه العناصر الخلالية، قد تكون مثل "فضلات الفئران"، مما يلحق ضررًا خطيرًا بأداء درجة الحرارة العالية والخصائص الميكانيكية للمادة.

ولذلك، أطلب أن يكون مسحوق Udimet 520 المقدم من المورد يجب أن يكون عالي النقاء ومحتوى الأكسجين منخفض للغاية. بالنسبة لكل دفعة من المسحوق التي يتلقاها مختبرنا، فإن أول شيء نقوم به هو إجراء تحليل مفصل للتركيب الكيميائي، وأثناء التخزين والاستخدام، سنتخذ أكثر التدابير صرامة لمقاومة الرطوبة والأكسدة.

توحيد البنية المجهرية: مسحوق عالي الجودة، ليس فقط الجسيمات أفضل، بل يجب أن يكون التركيب الكيميائي والبنية المجهرية لكل جسيم موحدًا، ويجب ألا يكون هناك فصل. من أجل التأكد من أننا نذوب ثم نتصلب من المادة، يكون الأداء مستقرًا وموثوقًا به.

المزايا التطبيقية لمسحوق Udimet 520 في التصنيع الإضافي

A. الأداء في درجات الحرارة العالية والسلامة الهيكلية

وبالحديث عن Udimet 520، فإن أداءه في البيئات ذات درجات الحرارة العالية مثير للإعجاب بكل بساطة. نعلم جميعًا أن العديد من المواد المعدنية "تضعف" في درجات الحرارة المرتفعة، ولكن Udimet 520 يتميز بقوة الزحف وقوة التعب ومقاومة الأكسدة للحفاظ على سلامة هيكلية ممتازة حتى في درجات الحرارة المرتفعة للغاية.

هذه ليست ملاحظة عادية.

لدينا متطلبات صارمة تقريبًا لمقاومة درجات الحرارة العالية للمواد في التطبيقات الرئيسية مثل مكونات المحركات الهوائية وشفرات التوربينات الغازية ومكونات المفاعلات النووية. Udimet 520 هو نوع من المواد التي تسمح لك "بالاطمئنان" إلى أنها يمكن أن تعمل بثبات لفترة طويلة في ظل هذه الظروف القاسية، وهو أمر مهم جدًا للسلامة.

B. حرية التصميم وتحقيق الأشكال الهندسية المعقدة

أحد أكثر الأشياء المدهشة في التصنيع الإضافي هو قدرته على تخطي حدود التصنيع التقليدي وتحقيق أشكال هندسية معقدة كانت تعتبر في السابق "مستحيلة. عندما نجمع بين المواد عالية الأداء مثل Udimet 520 والتصنيع الإضافي، تتضخم هذه الميزة بشكل لا نهائي.

تخيل أنه يمكننا تصميم قنوات تبريد معقدة للغاية داخل جزء ما، أو تحقيق بنية شبكية خفيفة الوزن.

وهذا لا يمثل تغييراً في المظهر فحسب، بل يمثل أيضاً قفزة في الوظيفة. فالمواد عالية الأداء إلى جانب حرية التصميم تعني أنه يمكننا صنع أجزاء أخف وزناً وأقوى وأكثر كفاءة لم يكن من الممكن تصورها في السابق.

C. استخدام المواد وفعالية التكلفة

بالنسبة لسبائك النيكل عالية القيمة مثل Udimet 520، كان استخدام المواد دائمًا عاملًا مهمًا يجب مراعاته. فالتصنيع الطرحي التقليدي، مثل الطحن، يولد كمية كبيرة من الخردة، مما يزيد بلا شك من التكاليف. يعمل التصنيع الإضافي على تحسين استخدام المواد بشكل كبير، كما أن ميزة "التصنيع عند الطلب" تقلل من نفايات المواد. بالنسبة لهذه السبيكة باهظة الثمن، فإن الفوائد الاقتصادية كبيرة للغاية.

خاصةً في إنتاج الدفعات الصغيرة وتصنيع النماذج الأولية، فإن مزايا التصنيع الإضافي مع Udimet 520 أكثر وضوحًا. فنحن لسنا بحاجة إلى الاستثمار بكثافة في القوالب المعقدة لإنتاج أجزاء مخصصة عالية الأداء بسرعة واقتصادية، وهو أمر مهم بشكل خاص في التطوير التكراري السريع الحالي.

دراسات الحالة والتحقق من صحة الأداء

A. أمثلة على التطبيقات في مجال الفضاء الجوي

عند الحديث عن سبيكة Udimet 520، فإن أول ما يتبادر إلى الذهن هو بالتأكيد صناعة الطيران. فقد صُنعت هذه السبيكة لدرجات الحرارة العالية وبيئة الضغط العالي. وقد شارك فريقنا في مشروع منذ بضع سنوات، باستخدام تقنية SLM لطباعة شفرات التوربينات لمحركات الطائرات.

فكما تعلم، دائمًا ما تكون شفرات التوربينات التقليدية المصبوبة أو المطروقة محدودة المرونة في التصميم، كما أن استخدام المواد ليس عاليًا. "من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مسحوق Udimet 520، تمكنا من تحقيق تصميمات قنوات تبريد داخلية معقدة للغاية كان من المستحيل تقريبًا باستخدام العمليات التقليدية.

وكمثال محدد، قمنا بطباعة شفرات فوهة التوربينات الجديدة التي تعمل في تيارات الغاز ذات درجة الحرارة العالية والضغط العالي. من خلال التحسين الدقيق للطوبولوجيا وتصميم الهيكل الشبكي الداخلي، نجحنا في تقليل وزن الشفرة بحوالي 151 تيرابايت 3 تيرابايت. وفي الوقت نفسه، في ظل ظروف المحاكاة، أظهرت مقاومة الزحف في درجات الحرارة العالية وعمر التعب الحراري تحسنًا كبيرًا. وهذا ليس رقمًا صغيرًا.

في المحركات الهوائية، كل تخفيض في الوزن بمقدار 1 جم يعني زيادة كبيرة في كفاءة استهلاك الوقود. وقد أظهرت هذه الأجزاء بالفعل أداءً ممتازاً بعد خضوعها لاختبارات صارمة غير مدمرة واختبارات الأداء. يمكن القول إن مكونات Udimet 520 المطبوعة ثلاثية الأبعاد تغير بهدوء نمط تصميم وتصنيع المحركات الهوائية.

B. التطبيقات المحتملة في مجالات الطاقة والرعاية الصحية وغيرها من المجالات - منظور التصنيع الإضافي

بصفتي خبيرًا مخضرمًا في مجال التصنيع المضاف (الطباعة ثلاثية الأبعاد) لسنوات عديدة، لطالما شعرت أن إمكانات Udimet 520 لا تقتصر على مجال الطيران. ولكي أكون صادقًا، كلما رأيت بيانات هذا المسحوق المصنوع من سبائك النيكل الفائقة، سيظهر في ذهني تلقائيًا عدد لا يحصى من "يمكننا الطباعة هكذا والتحسين هكذا".

لنتحدث عن قطاع الطاقة. كما ترى، فإن المكونات الأساسية في توربينات الغاز، مثل بطانات غرفة الاحتراق، وشفرات التوربينات، وبعض الهياكل الرئيسية في المفاعلات النووية، كلها تتراقص على طرف سكين - درجة حرارة عالية، وضغط مرتفع، وتآكل. تم تصميم قوة Udimet 520 من Udimet ذات درجة الحرارة العالية ومقاومة التآكل ببساطة لهذه الظروف القاسية.

والأهم من ذلك، مع الطباعة ثلاثية الأبعاد كسلاح حاد، يمكننا تحرير التفكير التصميمي تمامًا. يمكن الآن دمج أي قناة تبريد ذات شكل خاص، وهيكل المصفوفة النقطية، والأشكال الهندسية المعقدة التي لم يكن من الممكن تصورها في السابق. هذا ليس فقط لاستخدام أنواع من المواد الجيدة، ولكن أيضًا لإحداث نقلة نوعية في هيكل وأداء المكون بأكمله.

وكثيراً ما أتناقش مع مهندسي الفريق حول أنه إذا استطعنا استخدام عملية التصنيع المضافة الخاصة بنا لجعل مكونات غرفة الاحتراق في التوربينات الغازية أخف وزناً، وتبديد الحرارة بشكل أفضل، وحتى دمج بعض البنى المجهرية المبتكرة، فإن ذلك سيحسن من كفاءة الطاقة بشكل عام، إنه أمر ثوري تماماً. كما أنها قد تساعدنا أيضاً على تحقيق حلول طاقة أكثر اخضراراً بشكل أسرع.

هذا ليس مجرد "تغيير بسيط في المواد"، بل هو ابتكار شامل من الجذور، بدءًا من مفهوم التصميم إلى المنتج النهائي.

أما بالنسبة للمجال الطبي، أعلم أنك قد تفكر على الفور في عمليات الزرع. حسنًا، لأكون صادقًا، يُستخدم Udimet 520 حاليًا بشكل مباشر في عمليات الزرع البشرية. لا يمكنني حقًا ضمان ذلك. بعد كل شيء، التوافق الحيوي هو سلسلة من عمليات الاختبار والتحقق الصارمة للغاية، والتي لا يمكن تجاوزها بشكل عرضي. ومع ذلك، إذا نظرنا بشكل أكثر استرخاءً، ستجده في تصنيع بعض مكونات المعدات الطبية عالية الأداء، فهو مفيد للغاية!

على سبيل المثال، تلك الأجزاء من الأدوات الجراحية التي تحتاج إلى التعقيم المتكرر بواسطة البخار عالي الحرارة والضغط العالي، أو تلك الهياكل الدقيقة في الأدوات الجراحية طفيفة التوغل التي تتحمل الضغط الشديد وتتطلب قوة عالية للغاية ومقاومة للتآكل، يمكن الاستفادة من خصائص Udimet 520 هذه بشكل كامل.

من خلال تقنية الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، يمكننا إنشاء هيكل داخلي معقد غير مسبوق لهذه الأجهزة الطبية، وتحقيق تصميم خفيف الوزن في نهاية المطاف، وتحسين وظائفها وعمرها التشغيلي بشكل كبير.

C. اختبار الأداء والتوصيف

بالنسبة لأجزاء Udimet 520 المطبوعة بتقنية Udimet 520 ثلاثية الأبعاد، يعد اختبار الأداء والتوصيف أمرًا أساسيًا للتحقق من موثوقيتها. لقد عملنا بجد على ذلك.

• اختبار الشد: هذه هي الطريقة الأساسية. سنأخذ عينات في اتجاهات مختلفة ونمددها في درجة حرارة الغرفة ودرجة حرارة عالية لتحديد قوة الخضوع وقوة الشد والاستطالة. لقد وجدنا أنه على الرغم من أن Udimet 520 المطبوع ثلاثي الأبعاد سيُظهر تباينًا في بعض الاتجاهات، إلا أنه من خلال تحسين معلمات الطباعة وعمليات ما بعد المعالجة (مثل الضغط المتساوي الحرارة HIP)، يمكن أن تصل خواصه الميكانيكية الشاملة إلى مستوى المطروقات التقليدية أو حتى تتجاوزه.
• اختبار الإرهاق: يعد عمر التعب أمراً بالغ الأهمية لمكونات محركات الطائرات. لقد أجرينا اختبارات إجهاد عالية ومنخفضة الدورة لمحاكاة التحميل الدوري للمكونات في التشغيل الفعلي. تُظهر النتائج أن أجزاء Udimet 520 المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المعالجة حرارياً تتمتع بخصائص إجهاد مماثلة للأجزاء المصنعة تقليدياً، بل إنها تحقق أداءً أفضل في ظل مستويات إجهاد معينة، وهو ما قد يكون مرتبطاً بالبنية الحبيبية الدقيقة الفريدة للطباعة ثلاثية الأبعاد.
• اختبار الزحف: تحت درجة حرارة عالية وظروف عمل طويلة الأمد، تزحف المادة. سنقوم بإجراء اختبارات الزحف تحت درجة حرارة عالية وإجهاد عالٍ لتسجيل التشوه ووقت انكسار المادة. Udimet 520 نفسه عبارة عن سبيكة ذات أداء زحف ممتاز. بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد، ما دام يتم التحكم في بنية الحبوب، يظل أداء الزحف في درجات الحرارة العالية عند مستوى عالٍ جدًا.
• تحليل البنية المجهرية: هذا هو مفتاح "استكشاف الجوهر. من خلال SEM و TEM وغيرها من الوسائل، سنقوم بتحليل حجم الحبوب وخصائص حدود الحبوب وتوزيع طور الترسيب وعيوب المسام لأجزاء الطباعة ثلاثية الأبعاد بالتفصيل. تجربتي الشخصية هي أن معلمات الطباعة لها تأثير كبير على التنظيم، مثل طاقة الليزر وسرعة المسح الضوئي وسماكة الطبقة، والتي ستؤثر بشكل مباشر على اتجاه نمو الحبيبات وتكوين العيوب. يمكن أن يؤدي تحسين هذه المعلمات، جنبًا إلى جنب مع الضغط المتساوي الحرارة إلى تحسين الكثافة الداخلية وتوحيد الأنسجة بشكل كبير، وبالتالي تحسين الأداء العام.