18Ni300 مسحوق سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ النيكل في 3D Priting

بقلم: تيريزا م. بولوك

الدكتورة تيريزا م. بولوك هي أستاذة ألكوا المتميزة للمواد في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، وعضو الأكاديمية الوطنية الأمريكية للهندسة. حصلت على درجة البكالوريوس في هندسة المعادن من جامعة بوردو ودرجة الدكتوراه في علوم المواد والهندسة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تمتد أبحاثها لتشمل تصميم السبائك، وتوصيف المواد ثلاثية الأبعاد، ومعالجة وأداء المواد الإنشائية في البيئات القاسية، والتفاعلات الليزرية فائقة السرعة. حازت الدكتورة بولوك على العديد من التكريمات، بما في ذلك زمالات في جمعيات مهنية مثل TMS وASM، وأدوار قيادية مثل الرئيس السابق لجمعية المعادن والفلزات والمواد.

في عالم المواد المعدنية عالية الأداء، لا شك أن الفولاذ الصلب الصلب هو النجم الساطع في عالم المواد المعدنية عالية الأداء. وبفضل قوته الفريدة الفائقة والمتانة الممتازة وقابلية التشغيل الجيدة، فإنه يحتل مكانة لا يمكن الاستغناء عنها في العديد من المجالات المتطورة. في هذا النوع من الفولاذ، يعد الفولاذ الصلب 18Ni300، كما هو موضح في رقمه، ومحتوى النيكل الذي يصل إلى 18%، أحد العناصر البارزة. إنه يُظهر آفاق تطبيق أكثر وأكثر شمولاً في مجال الفضاء، وتصنيع القوالب الدقيقة والأجزاء الميكانيكية عالية الأداء مع متطلبات أداء صارمة للغاية. وقد أدى ظهور 18Ni300 إلى حل مشكلة عنق الزجاجة في الفولاذ التقليدي عالي القوة في الصلابة وأداء التعب إلى حد ما.

ستحلل هذه الورقة البحثية المزايا الفريدة لمسحوق سبيكة 18Ni300. وسوف نستكشف كيف أن تركيبته الكيميائية الرائعة تمنحه خصائص ميكانيكية غير عادية، بالإضافة إلى التطبيقات المتطورة والأسطح التي يجلبها مسحوق سبيكة 18Ni300 في المجال الحالي رفيع المستوى للتصنيع الإضافي.

لماذا تختار 18Ni300:

من بين العديد من السبائك، لماذا نفضل 18Ni300؟ يُعد مسحوق سبيكة 18Ni300، وخاصةً موقعه الفريد في نظام سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ القائمة على النيكل، مثالاً على المزيج المثالي بين الأداء والتطبيق.

قوة وصلابة عالية للغاية: يتمتع بتوازن مثالي بين قوة الخضوع وقوة الشد وصلابة الكسر. في مجال الفولاذ التقليدي، غالبًا ما تحتاج في مجال الفولاذ التقليدي إلى المفاضلة بين القوة والصلابة. لكن 18Ni300، مثل اللاعب الشامل، يوفر قوة قصوى تفوق بكثير الفولاذ التقليدي مع الحفاظ على صلابة كسر ممتازة، وهي المادة المثالية لتصميم المكونات الرئيسية التي تحتاج إلى تحمل الضغط العالي والأحمال عالية الصدمات.

ثبات أبعاد ممتاز: في مجال التصنيع الدقيق، يعد ثبات أبعاد المواد أحد العوامل الرئيسية التي تحدد نجاح المنتجات أو فشلها. وقد كان أداء 18Ni300 جيدًا بشكل استثنائي في هذا الصدد. انخفاض درجة حرارة التحول المارتنسيت يعني أن

قابلية جيدة للتشغيل الآلي: لا تنظر إلى قوته النهائية عالية جدًا، في الحالة الملدنة، 18Ni300 هو في الواقع "سهل الانقياد" نسبيًا، مع أداء تصنيع جيد. هذا يعني أنه قبل عملية التصلب النهائية، يمكننا القطع والحفر وغيرها من العمليات، مما يحسن بشكل كبير من مرونة التصنيع وكفاءته. ما تجدر الإشارة إليه هو أنه عندما يكون في شكل مسحوق، فإنه قابل للتكيف للغاية مع عمليات التصنيع المضافة (مثل SLM، EBM). أنا شخصياً أعتقد أن الجمع بين تعدين المسحوق والتصنيع الإضافي هو اتجاه مهم للتطوير المستقبلي لـ 18Ni300. فهو يوفر إمكانيات لا حصر لها بالنسبة لنا لاختراق القيود الهندسية للتصنيع التقليدي وتحقيق التشكيل المتكامل للهياكل المعقدة.

مجالات التطبيق: وبسبب هذه الخصائص الممتازة، فإن مجالات تطبيق 18Ni300 أكثر وأكثر اتساعًا، وكلها مجالات "عالية الدقة". على سبيل المثال، مكونات معدات الهبوط في صناعة الطيران ومختلف الأجزاء الهيكلية في صناعة الطيران، وقوتها العالية وصلابتها العالية لضمان سلامة الطيران. يمكن للقوالب عالية الأداء، وخاصة قوالب الصب بالقالب والقوالب البلاستيكية، يمكن أن تتحمل 18Ni300 درجة الحرارة العالية والضغط العالي، مما يطيل عمر القالب بشكل كبير. في مجال السباقات، حيث أن الوزن الخفيف والقوة العالية هو السعي الأبدي، يمكن لمكونات سبيكة 18Ni300 تحسين أداء السيارة بشكل كبير. ويمكن رؤيتها حتى في الأدوات الطبية، مثل الأدوات الجراحية أو الغرسات. وبشكل عام، طالما كانت القوة والصلابة وثبات الأبعاد في هذه المناسبة، فإن 18Ni300 هو خيار ذو أولوية.

ماذا يعني متوسط 18Ni300?

“18”: يبلغ محتوى النيكل (Ni) في هذه السبيكة حوالي 181 تيرابايت 3 تيرابايت بالوزن. لا يعد النيكل عنصرًا أساسيًا في تكوين المارتينسيت فحسب، بل هو أيضًا عامل حاسم في التصلب اللاحق في العمر. بدون كمية كافية من النيكل، فإن خصائص هذه السبيكة غير واردة. أحب دائمًا أن أفكر فيه باعتباره "الهيكل العظمي" للسبيكة، حيث يدعم نظام الأداء بأكمله.

"ني":: هذا أكثر بديهية، وأشار بوضوح إلى أن هذه هي سبيكة أساسها النيكل، أو على الأقل محتوى النيكل سبيكة مهمة للغاية. في عالم السبائك، يعد تحديد العناصر أمرًا بالغ الأهمية، مما يتيح لنا تحديد الفئات العريضة والخصائص المحتملة للمواد بسرعة.

“300”: يمثل هذا الرقم معدل قوة الشد النموذجي لهذه السبيكة بعد سلسلة من المعالجات الحرارية، وعادةً ما يكون بالكيلو باوند لكل بوصة مربعة (KSI)، وهو حوالي 300 KSI، محولاً إلى الوحدة الأكثر شيوعًا، وهو حوالي 2070 ميجا باسكال. هذا هو مؤشر الأداء الميكانيكي الأكثر أهمية. عندما يخبرني المهندسون أنهم بحاجة إلى مادة عالية القوة، أفكر أولاً في هذه السبائك ذات العلامات الرقمية عالية القوة.

التركيب الكيميائي 18Ni300

عناصر الإشابة الرئيسية ودورها:

• نيكل (Ni، ~ 17.0-19.0%): النيكل هو عنصر "الروح" في الفولاذ المارتنسيتي. فهو لا يعمل فقط على استقرار الأوستينيت، ويقلل من نقطة التحول المارتنسيتي، ويضمن الحصول على مصفوفة مارتينسيتية ناعمة، وهو أمر ضروري للتصلب اللاحق في العمر. كما أن وجوده يحسن بشكل كبير من صلابة السبيكة، كما تعلم، قوة عالية دون صلابة، وهذا ليس ما نريده. والأفضل من ذلك، النيكل هو أيضًا أساس تكوين العديد من الرواسب الرئيسية.
• كوبالت (Co, ~ 8.5-9.5%): يعتبر الكوبالت مسرعًا قليلًا بالنسبة لي ". يمكن أن يزيد من درجة حرارة تحول المارتينسيت، مما يعني أنه من الأسهل تشكيل المارتينسيت أثناء التبريد. في الوقت نفسه، يمكن للكوبالت أيضًا أن يقلل بمهارة من قابلية ذوبان النيكل في الحديد، وهو ما يبدو غير بديهي بعض الشيء، ولكن في الواقع، يمكن أن يسرع من تكوين المراحل المترسبة أثناء عملية التقادم، وبالتالي تحسين الصلابة بشكل أسرع وأكثر فعالية.
• الموليبدينوم (Mo، ~ 4.6-5.2%): يلعب الموليبدينوم أدوارًا متعددة في 18Ni300. أولاً، يمكنه تعزيز قوة المصفوفة عن طريق تقوية المحلول الصلب. ثانيًا، يساعد على صقل الحبوب ويمنع انتقال حدود الحبوب، وهو أمر مفيد جدًا لتحسين الخواص الميكانيكية الشاملة للمادة. وبالطبع، الأهم من ذلك أن الموليبدينوم سيشكل مركبات بين المعادن مع النيكل، مثل Ni3Mo، والتي تترسب أثناء عملية التقادم وتساهم بشكل أكبر في تحسين صلابة السبيكة.
• تيتانيوم (Ti، ~ 0.6-0.8%): عندما يتعلق الأمر بالصلابة العمرية، لا يمكننا أبدًا تجاهل التيتانيوم! في رأيي، التيتانيوم هو مفتاح "انفجار صلابة 18Ni300". فهو يشكّل مركبات بين الفلزات مثل Ni3Ti مع النيكل، وتنتشر هذه الرواسب النانوية في مصفوفة المارتينسيت لتكوين نقاط تثبيت خلع قوية، وبالتالي تحسين قوة الخضوع وصلابة المادة بشكل كبير. يمكن القول أنه بدون التيتانيوم لن يكون هناك 18Ni300 ذو قوة عالية أيقونية.
• ألومنيوم (Al، ~ 0.05-0.15%): الألومنيوم في هذه الصيغة، على الرغم من أن الكمية ليست كبيرة، ولكن التأثير ليس صغيرًا. فهو أولاً وقبل كل شيء مزيل أكسدة فعال يساعدنا على التحكم في محتوى الأكسجين في عملية الصهر. ثانيًا، يمكن للألومنيوم أيضًا تنقية الحبوب إلى حد ما. وبالطبع، قد يشارك أيضًا في بعض آليات تقوية الترسيب المعقدة.

التحكم في العناصر النزرة:

بصفتي عالم مواد، لديّ طلب شبه جنوني على "نقاء" المواد. نحن نتحكم بصرامة في محتوى الشوائب الضارة مثل الكربون (C) والكبريت (S) والفوسفور (P)، والتي هي بمثابة "الخروف الأسود" في السبيكة ". سيؤثر المحتوى الزائد من الكربون على قابلية اللحام والمتانة؛ ومن السهل أن يشكل الكبريت والفوسفور مركبات منخفضة نقطة الانصهار عند حدود الحبوب، مما يؤدي إلى تقصف المواد. لذلك، يعد الحفاظ على محتواهما عند مستوى منخفض للغاية أمرًا ضروريًا لضمان الأداء الممتاز لـ 18Ni300.

لجعل الأمر أكثر سهولة، قمت بتجميع جدول يوضح نطاق التركيب الكيميائي النموذجي لـ 18Ni300.

الجدول: نطاق التركيب الكيميائي النموذجي لـ 18Ni300 (نسبة الوزن)

العنصر	المحتوى (%)
ني	17.0-19.0
شركة	8.5-9.5
مو	4.6-5.2
تي	0.6-0.8
آل	0.05-0.15
C	<0.03
S	<0.01
P	<0.01
في	الرصيد

تطبيق مسحوق سبيكة 18Ni300 والتحديات التي تواجهه في التصنيع الإضافي

التأثير التآزري لمعدن المساحيق والتصنيع الإضافي

والسبب في إمكانية دمج 18Ni300 بشكل مثالي مع التصنيع الإضافي هو أن شكل المسحوق الخاص به هو الأساس. إن التصنيع الإضافي، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد كما نقول غالبًا، هو في الأساس "لبنات بناء"، حيث يتم تكديس المواد طبقة تلو الأخرى. كيف يمكننا تحقيق هذه الأشكال الهندسية المعقدة بدون شكل المسحوق؟ غالبًا ما أؤكد مع طلابي أن قابلية التدفق والكثافة السائبة وتوحيد المسحوق - وهي معلمات تبدو تافهة - تحدد في الواقع بشكل مباشر جودة وكفاءة الطباعة النهائية. وبالنسبة إلى سبيكة 18Ni300 عالية الأداء على وجه الخصوص، فإن النقاء العالي والكروية المثالية للمسحوق أمران أساسيان لضمان أداء الطباعة.

في الوقت الحاضر، هناك نوعان رئيسيان من تقنيات التصنيع المضافة التي نستخدمها بشكل شائع. الأول هو الصهر القاعي للمسحوق بالليزر (L-PBF)، الذي يستخدم ليزر عالي الطاقة لإذابة انتقائية على طبقة مسحوق كثيفة، وهو مناسب بشكل خاص لتصنيع الأجزاء المعقدة التي تتطلب دقة عالية للغاية. والآخر هو الصهر بالحزمة الإلكترونية (EBM)، والتي تعمل في بيئة مفرغة من الهواء وتذيب المسحوق باستخدام شعاع إلكتروني. تُعد تقنية EBM أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ويمكنها تقليل الإجهاد المتبقي بشكل فعال، ولكن العيب هو أن خشونة السطح قد تكون أقل قليلاً.

وبغض النظر عن التكنولوجيا، فإن متطلبات جودة المسحوق صارمة تقريبًا. عادةً ما يكون توزيع حجم الجسيمات للمسحوق بين 15-45 ميكرون أو 20-63 ميكرون، ويجب التحكم في هذا النطاق بدقة. هناك أيضًا الكروية، ومحتوى المسحوق الفضائي، ومحتوى الأكسجين، ومورفولوجيا سطح المسحوق، والتي تؤثر بشكل مباشر على استقرار عملية التصنيع المضاف وكثافة الجزء النهائي وخصائصه الميكانيكية.

تأثير عملية التصنيع المضاف على خواص 18Ni300

يكمن جمال التصنيع الإضافي في "سرعته". ولكن هذه السرعة تجلب معها أيضًا تحديات فريدة من نوعها.

تأثير التصلب السريع

أثناء تصنيع المواد المضافة، تخضع المواد لدورة قصوى من التسخين السريع والتبريد السريع. بالنسبة إلى 18Ni300، هذا يعني أن البنية المجهرية وعملية الانتقال الطوري ستكون مختلفة تمامًا عن العملية التقليدية. يتسبب التبريد السريع في أن تصبح الحبيبات دقيقة للغاية، مما يشكل ما نسميه بنية مارتينسيتية فائقة النعومة. وفي بعض الأحيان، قد يمنع هذا التبريد السريع تكوين بعض الرواسب المتقادمة أو يغير شكلها.

من وجهة نظر الأداء، عادةً ما تؤدي التقوية الدقيقة الحبيبات إلى تحسين القوة الأولية للمادة، وهو ما يبدو رائعًا. ومع ذلك، نحتاج أيضًا إلى رؤية التحدي. قد يؤدي الاتجاه البلوري وعدم استواء الأنسجة الناجم عن التصلب السريع إلى تباين الخواص في المنتج المطبوع، وهو ما يجب النظر فيه بجدية لتصميمنا وتطبيقنا اللاحق.

الإجهاد المتبقي والتشقق

الإجهاد المتبقي، وهي مشكلة طويلة الأمد في مجال التصنيع المضاف. تدرجات الحرارة العالية والتبريد السريع للمادة والتبريد السريع للمادة والانكماش غير المتساوي كلها أسباب للإجهادات المتبقية. لقد رأيت الكثير من الأجزاء الملتوية والمشوهة بسبب الإجهاد المتبقي، وحتى الشقوق الكلية أو الدقيقة. هذا أمر مزعج حقًا، ففي النهاية، لا أحد يريد أن يرى الأجزاء المطبوعة الصلبة تتداعى.

من أجل حل هذه المشكلة، عادةً ما نعتمد بعض الاستراتيجيات، مثل التسخين المسبق للركيزة، وتحسين استراتيجية المسح (المسح على رقعة الشطرنج طريقة شائعة)، وضبط قوة وسرعة شعاع الليزر أو شعاع الإلكترون، وبالطبع، فإن المعالجة الحرارية اللاحقة، وخاصة التلدين لتخفيف الضغط، ضرورية أيضًا.

التحكم في الكثافة والعيوب

كثافة الأجزاء، أعتقد أن هذا هو حجر الزاوية في نجاح التصنيع المضاف. إذا لم تكن الكثافة عالية، فمن المستحيل التحدث عن الخصائص الأخرى، وخاصة أداء التعب. يجب أن نبدأ من المصدر، أي التحكم في جودة سيولة المسحوق، والكثافة الإجمالية، وتوزيع حجم الجسيمات ونقائها، وهي الأساس للحصول على مطبوعات عالية الكثافة.

بعد ذلك يجب تحسين معلمات العملية، مثل طاقة الليزر وسرعة المسح الضوئي وتباعد الخطوط وسُمك الطبقة، والتي تؤثر بشكل مباشر على كثافة الطاقة، ويجب أن تضمن إمكانية صهر المسحوق بالكامل وتشكيل تجمع منصهر مستقر. وفي الوقت نفسه، تُعد استراتيجية المسح أمرًا بالغ الأهمية أيضًا لتجنب الاحتراق الزائد أو الاحتراق الناقص ولتحسين منطقة إعادة الصهر. يجب أن نبذل قصارى جهدنا لتجنب العيوب الشائعة مثل الانصهار غير الكامل والمسامية والشوائب.

أهمية عمليات ما بعد المعالجة

غالبًا ما تتطلب الأجزاء المصنعة المضافة سلسلة من المعالجة اللاحقة. ومن بين هذه العمليات، هناك عمليتان حاسمتان.

الكبس الإيزوستاتيكي الساخن (HIP)

الضغط المتساوي الضغط الساخن المتساوي الضغط، الذي يُشار إليه باسم HIP، هو "القاتل" للقضاء على المسام الداخلية ". تحت بيئة درجة الحرارة العالية والضغط العالي، ستخضع المادة لتشوه بلاستيكي وزحف انتشار، بحيث يتم إغلاق المسام الداخلية المعزولة. وغالبًا ما أقارن ذلك بإعطاء الجزء "تدليكًا" عميقًا لجعله أكثر كثافة من الداخل.

بعد معالجة HIP، ستتحسن كثافة المادة بشكل ملحوظ، كما ستحقق الخواص الميكانيكية قفزة نوعية أيضًا، بما في ذلك قوة الخضوع وقوة الشد والاستطالة وعمر التعب. تشير تجربتي إلى أن أداء الأجزاء المضافة 18Ni300 المعالجة بـ HIP في التصنيع المضاف يمكن أن يكون قريبًا جدًا من أداء المطروقات التقليدية. وعادةً ما تكون المعلمات المستخدمة عادةً هي درجة الحرارة العالية (مثل 1150-1200 درجة مئوية)، والضغط العالي (مثل 100-150 ميجا باسكال)، والتثبيت لمدة 2-4 ساعات.

المعالجة الحرارية

تُعد المعالجة الحرارية، وخاصةً المعالجة بالمحلول والمعالجة بالتقادم (المعالجة بالتبريد بالمحلول - التقادم)، خطوة أساسية للحث على تصلب الترسيب 18Ni300 وتحسين الخواص الميكانيكية.

الأول هو معالجة المحلول. والغرض من ذلك هو السماح لعناصر السبيكة، وخاصة التيتانيوم والموليبدينوم والكوبالت، بالذوبان الكامل في المصفوفة المارتنسيتية. وهذا لا يزيل الإجهاد الداخلي فحسب، بل يسمح أيضًا بأن يصبح التنظيم أكثر اتساقًا.

التالي هو علاج الشيخوخة. هذه لحظة حرجة لانفجار أداء 18Ni300. عند درجة حرارة معتدلة (عادةً 480-520 درجة مئوية) لفترة من الزمن، سنرى أن المركبات البينية المعدنية الغنية بالنيكل والتيتانيوم والموليبدينوم (مثل Ni3Ti و Ni3Mo) تترسب بشكل منتظم في مصفوفة المارتينسيت لتشكل مرحلة تقوية التشتت النانوية. هذه الرواسب الصغيرة تشبه "المسامير الفولاذية" التي لا تعد ولا تحصى، والتي تحسن بشكل كبير من صلابة المادة وقوتها.

معلمات المعالجة الحرارية النموذجية المقترحة هي: المعالجة بالمحلول عند درجة حرارة 815-830 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، يليها التبريد بالهواء أو التبريد بالماء؛ المعالجة بالتقادم عند درجة حرارة 480-520 درجة مئوية لمدة 3-6 ساعات، يليها التبريد بالهواء. ولكن هنا تذكير صغير أنه نظرًا للبنية المجهرية الفريدة من نوعها، قد تختلف معاملات المعالجة الحرارية المثلى للتصنيع المضاف 18Ni300 عن المسبوكات والمطروقات التقليدية، لذلك ما زلنا بحاجة إلى القيام ببعض أعمال التحسين.

وباختصار، أظهر مسحوق الفولاذ المقوى 18Ni300 آفاق تطبيق واسعة في مجال الفضاء والقوالب الدقيقة وتصنيع الآلات عالية الأداء نظرًا لقوته الفائقة وصلابته الممتازة وثبات أبعاده الجيد. ويوفر مسحوق سبيكة 18Ni300 حلًا جديدًا لتصميم الهياكل المعقدة والتصنيع خفيف الوزن بفضل خصائص المسحوق الممتازة والقدرة على التكيف خاصة في التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد). من خلال التحكم المعقول في جودة المسحوق، وتحسين معلمات العملية، بالإضافة إلى الضغط المتساوي الحرارة والمعالجة الحرارية وغيرها من وسائل ما بعد المعالجة، فإن الأداء الشامل لأجزاء 18Ni300 يمكن مقارنته بالمطروقات التقليدية أو حتى أفضل منها. من المتوقع أنه مع النضج المستمر لتكنولوجيا تعدين المساحيق والتصنيع المضاف، سيصبح الفولاذ المطروق 18Ni300 مادة داعمة مهمة للتصنيع المتطور وقوة رئيسية لتعزيز تطوير تكنولوجيا التصنيع المتقدمة في المستقبل.