18بني300 مسحوق سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ النيكل والنيكل

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.

تحليل العمق لمسحوق سبيكة 18ni300

التركيب الأساسي للمواد وتصنيفها:

إن اسم "18Ni300" بديهي للغاية في الواقع. فهو يخبرنا برسالتين رئيسيتين: محتوى النيكل 18% و قوة شد 300 كيلو باسكال (حوالي 2070 ميجا باسكال) يمكن أن تحققه في النهاية.

يجب التأكيد هنا على نقطة مهمة وهي أن 18Ni300 إنه ليس فولاذ مقاوم للصدأ، إنه فولاذ التقطيع 1 (فولاذ التقطيع). من حيث التصنيف الصارم للمواد، فإنه ينتمي إلى فئة السبائك عالية القوة القائمة على النيكل. ويعتمد الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل أساسي على الكروم لتشكيل طبقة سلبية لمقاومة التآكل، بينما الفولاذ المانع للصدأ هو فولاذ آخر تمامًا 1.

ما الذي يجعلها بهذا الأداء الجيد؟ بشكل أساسي عناصر السبائك هذه:

• النيكل (ني)، حوالي 18%، هو عنصر أساسي يشكل مصفوفة مارتينسيتية ويوفر صلابة ممتازة.
• الكوبالت (Co) تتراوح عادةً بين 8-12%. وتتمثل وظيفته الرئيسية في زيادة درجة حرارة التحول المارتنسيت وتعزيز ترسيب المركبات بين الفلزات أثناء عملية التقادم.
• الموليبدينوم (Mo)الذي يتراوح عادةً بين 3-5%، يساهم في تقوية المحلول الصلب ويعزز التصلب مع النيكل والكوبالت.
• التيتانيوم (Ti) و الألومنيوم (Al) عادة ما تكون موجودة بكميات أقل، ولكنها ضرورية. فهي تشكل مركبات بينية معدنية دقيقة (مثل Ni3Ti، Ni3Ti، Ni3Al) أثناء المعالجة بالتقادم، وهذه الرواسب النانوية هي التي تعطي 18Ni300 قوة فائقة.

مزايا الأداء الفريدة: لماذا هو مهم جداً؟

في رأيي أن السبب في تفضيل 18Ni300 في مجال التصنيع المضاف يرجع بشكل أساسي إلى مزيج من الخصائص.

• قوة عالية للغاية مع المتانة: هذه هي أكثر سماتها إبهارًا. ضع في اعتبارك أنه بعد اكتمال التصنيع المضاف (مثل SLM أو EBM)، يمكن أن ترتفع قوة الشد للمادة إلى ما يقرب من 2000 ميجا باسكال من خلال معالجة حرارية بسيطة - علاج الشيخوخة -عادةً ما يتم الاحتفاظ بها في درجة حرارة تتراوح بين 480 و500 درجة مئوية لعدة ساعات- مع الحفاظ على صلابة ممتازة للكسر. هذا المزيج المثالي من القوة والمتانة نادر للغاية في المواد التقليدية. بالنسبة لنا في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، يعني ذلك القدرة على تصميم أجزاء خفيفة الوزن وقوية للغاية.
• ثبات أبعاد ممتاز: يكون تشوه 18Ni300 صغيرًا جدًا أثناء المعالجة الحرارية، وخاصة معالجة الشيخوخة. هذه ببساطة نعمة لتصنيع الأجزاء الدقيقة. نحن نعلم جميعًا أن العديد من المواد ستخضع لانكماش أو تمدد كبير بعد المعالجة الحرارية، مما يؤدي إلى صعوبة التحكم في دقة الأبعاد، ولكن 18Ni300 مستقر جدًا في هذا الصدد.
• قابلية تشغيل جيدة: على الرغم من أننا نركز بشكل أساسي على الأداء بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد، إلا أنه من الضروري أيضًا ذكر الجملة الأولى. في الحالة الملدنة (أي عندما لا تتقدم في العمر)، تكون صلابتها منخفضة نسبيًا، وسهلة جدًا للمعالجة الميكانيكية، مثل الخراطة والطحن. هذه بلا شك ميزة إضافية لبعض الأجزاء المعقدة التي تتطلب معالجة لاحقة.
• مقاومة التآكل: يجب أن أقول بشكل واقعي أن مقاومة التآكل لـ 18Ni300 ليست ميزتها الرئيسية، فهي ليست فولاذ مقاوم للصدأ. في بعض البيئات المحددة، سيكون أداؤه جيدًا، ولكن إذا كان تطبيقك يحتوي على متطلبات عالية لمقاومة التآكل، فقد تحتاج إلى الجمع بين المعالجة السطحية أو التفكير في سبائك أخرى أكثر احترافية مقاومة للتآكل. لا تتوقع أن تكون "جلدية" مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 316L ".

قضايا الخصائص المادية والفرص المتاحة:

• سؤال:
  • حساسية التشقق: هذه هي المشكلة الكبيرة الأولى التي نواجهها عند القيام بالطباعة ثلاثية الأبعاد. إن 18Ni300 حساس للإجهاد الحراري في عملية الطباعة، خاصة بالنسبة للمقاطع العرضية السميكة أو الهياكل الهندسية المعقدة، حيث يمكن أن يؤدي تراكم الإجهاد الداخلي إلى حدوث تشققات بسهولة. وهذا يتطلب من مهندسينا إجراء الكثير من الاستكشاف والتعديل في تحسين معلمات الطباعة واستراتيجية التسخين المسبق.
  • التحكم في الإجهاد الداخلي: نظرًا للذوبان والتصلب السريع، سيتولد إجهاد متبقي داخل الجزء المطبوع، والذي لا يؤثر فقط على الخواص الميكانيكية للجزء، ولكنه قد يتسبب أيضًا في حدوث تشوه أو حتى تشقق. لذلك، فإن المعالجة الحرارية بعد الطباعة مهمة جدًا.
  • تحسين معلمة الطباعة: يعد العثور على أفضل مزيج من معلمات الطباعة عملية طويلة ومكلفة. فكل جهاز، وكل دفعة من المسحوق، وحتى درجة الحرارة المحيطة يمكن أن تؤثر على النتيجة النهائية، مما يتطلب منا استثمار الكثير من الطاقة لإجراء التحقق التجريبي.
• الفرصة:
  • هندسة معقدة وتصميم خفيف الوزن:: هذه هي أكبر ميزة للتصنيع الإضافي. تعني القوة العالية جدًا للـ 18Ni300 أنه يمكننا تصميم هياكل أرق وأخف وزنًا مع الحفاظ على قوتها بما فيه الكفاية، مثل الهياكل الشبكية والهياكل الإلكترونية في مجال الفضاء. وهذا أمر بعيد عن متناول عمليات التصنيع التقليدية.
  • قطع غيار مخصصة عالية الأداء: بالنسبة لبعض الأجزاء الخاصة التي تتطلب أداءً عاليًا للغاية ولا تتطلب الكثير من الإنتاج، مثل إدخالات القوالب، والأجزاء الميكانيكية عالية الأداء، وحتى بعض المكونات الرئيسية لمحركات الصواريخ، يمكن تصنيع 18Ni300 بسرعة وكفاءة من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد، ويتجاوز أداؤها بكثير أداء العمليات التقليدية.

سيناريوهات وحالات تطبيقية لـ 18ني300 في التصنيع الإضافي

مجال الفضاء الجوي:

هذا هو بالتأكيد موطن 18Ni300. مكونات الأقمار الصناعية، وشفرات توربينات المحركات النفاثة، ومختلف الأقواس المعقدة والأجزاء الهيكلية، وكلها لها متطلبات صارمة بشأن قوة المواد وصلابتها وخفة وزنها. يتيح التصنيع بالإضافة، بالإضافة إلى 18Ni300، تصميمات خفيفة الوزن ونسب قوة/وزن عالية لا يمكن تصورها باستخدام العمليات التقليدية.

والأهم من ذلك، يمكنها أيضًا طباعة الأجزاء ذات قنوات التبريد الداخلية المعقدة، وهو ببساطة أمر ثوري في أجزاء المحرك. يمكن أيضًا تقصير دورة التصنيع إلى حد كبير، وهي بلا شك نعمة كبيرة لصناعة الطيران مع سرعة التكرار السريع.

على سبيل المثال، تعاملت ذات مرة مع مشروع، وهو تصنيع نوع معين من دعامات المركبات الفضائية من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد 18Ni300. وكانت النتيجة النهائية مشجعة، ليس فقط لأن وزن الدعامة أقل بحوالي 301 تيرابايت 3 تيرابايت من دعامة التصنيع التقليدية، ولكن أيضًا أداء أفضل في مؤشرات الأداء الرئيسية. في تلك اللحظة، شعرت حقًا بالقيمة الكبيرة لهذه التقنية.

تصنيع القوالب والأدوات في الميدان:

إن طلب صناعة القوالب على الصلابة العالية ومقاومة التآكل وكفاءة التبريد يجعل مادة 18Ni300 مفيدة في التصنيع المضاف. يمكن أن تستفيد إدخالات قوالب الحقن وقوالب الصب وحتى بعض تركيبات الأدوات من هذه المادة والعملية. الميزة الأبرز هي القدرة على تصميم وطباعة قنوات التبريد المطابقة. هذه ليست مزحة، مما يعني أنه يمكنك جعل سائل التبريد قريبًا من تجويف القالب قدر الإمكان، وبالتالي تحسين كفاءة التبريد بشكل كبير وتقصير دورة القولبة بالحقن. وفي الوقت نفسه، تضمن الصلابة العالية ومقاومة التآكل أيضًا عمر خدمة القالب.

أتذكر أنه كانت هناك شركة تصنيع قوالب حقن حاولت استخدام إدخالات قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد 18Ni300، وتم تقليل وقت التبريد بمقدار 15%. يعد هذا 15% تحسينًا حقيقيًا في الكفاءة وتوفيرًا في التكاليف لإنتاجها بكميات كبيرة. يمنحني هذا التحسن البديهي الثقة في مستقبل التصنيع المضاف.

مجال الأجهزة الطبية:

على الرغم من أن سبائك التيتانيوم أكثر شيوعًا في زراعة العظام، إلا أن خصائص القوة العالية لـ 18Ni300 تجعلها تتمتع بإمكانيات كبيرة في بعض مجالات الأجهزة الطبية المحددة، خاصة في الأجزاء ذات متطلبات التحميل العالية.

إن التخصيص الشخصي هو نقطة قوة الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهي مهمة بشكل خاص في المجال الطبي، ويمكن طباعتها بدقة وفقًا لتشريح المريض. بطبيعة الحال، يتطلب التوافق الحيوي مزيدًا من المعالجة السطحية لتحسينها، ولكن إمكاناتها كركيزة عالية القوة لا شك فيها.

تطبيقات أخرى عالية الأداء:

بالإضافة إلى المجالات المذكورة أعلاه، تتمتع 18Ni300 أيضًا بآفاق تطبيق واسعة في صناعة السيارات، والمجال العسكري، والمعدات الرياضية المتطورة، وما إلى ذلك. وتسعى جميع هذه المجالات إلى تحقيق الأداء الفائق والوزن الخفيف، ويصادف أن الجمع بين 18Ni300 والتصنيع الإضافي يلبي هذه الاحتياجات.

تدفق العمليات والاعتبارات الرئيسية للتصنيع الإضافي 18ni300

اختيار عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد:

عندما نتحدث عن الطباعة ثلاثية الأبعاد لـ 18Ni300، فإن أول شيء يجب القيام به هو اختيار عملية الطباعة الصحيحة. في الوقت الحالي، تعد عمليتا الذوبان القاعي للمسحوق بالليزر (L-PBF/SLM) والذوبان بالحزمة الإلكترونية (EBM) هما العمليتان اللتان نستخدمهما أكثر من غيرهما.

L-PBF (SLM): وهي التقنية الأكثر استخدامًا حاليًا. وهي تعمل على إذابة المسحوق المعدني طبقة تلو الأخرى من خلال شعاع ليزر ذي كثافة طاقة عالية. يعمل L-PBF بشكل جيد للغاية من حيث الكثافة.

تتميز الأجزاء المطبوعة بدقة عالية وجودة سطح جيدة نسبيًا. ولكن المشكلة تكمن في أنه عندما يطبع L-PBF 18Ni300، فإن الإجهاد المتبقي يمثل مصدر إزعاج كبير لأنه يبرد بسرعة ويمكن أن يتسبب بسهولة في تشوه الأجزاء أو حتى تشققها. وعادةً ما نتخذ بعض إجراءات الإحماء أو نضبط استراتيجية المسح الضوئي للتخفيف من حدتها، ولكن التخلص منها بالكامل يكاد يكون مستحيلًا.

EBM: وفي المقابل، تستخدم EBM شعاع الإلكترون كمصدر للحرارة، وتعمل في بيئة مفرغة من الهواء، ولديها درجة حرارة تسخين أعلى. هذا يجعل مشكلة الإجهاد المتبقي أفضل بكثير عندما تتعامل EBM مع 18Ni300، ويقل خطر التشوه إلى حد كبير. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما تكون كفاءة التشكيل في EBM أعلى قليلاً. ومع ذلك، تميل أجهزة EBMs إلى أن تكون خشونة السطح أسوأ من L-PBFs، كما أن تكاليف المعدات والتعقيد التشغيلي مرتفعة نسبيًا.

خصائص المسحوق وإدارته:

بالنسبة إلى سبيكة 18Ni300، وهي سبيكة عالية الأداء، فإن جودة المسحوق هي المفتاح لصنع الطباعة أو تعطلها.

أهمية جودة المسحوق: ينصب تركيزنا على توزيع حجم الجسيمات - لن يعمل توزيع حجم الجسيمات الخشن جدًا والناعم جدًا، يمكن أن يضمن حجم الجسيمات الموحد تسطيح المسحوق؛ والكروية، وهذا يؤثر بشكل مباشر على سيولة المسحوق، وكلما كانت الكروية أفضل، كلما كانت سيولة المسحوق أفضل، كلما كانت طبقة المسحوق أكثر اتساقًا، وكان ضمان الكثافة أسهل؛ ومحتوى الأكسجين، وهذا مؤشر بالغ الأهمية، ويمكن أن يؤدي محتوى الأكسجين العالي جدًا إلى شوائب أكسيد داخل الطباعة، مما يؤثر بشكل خطير على الخواص الميكانيكية للمادة، وخاصة خصائص التعب.

مناولة المسحوق وتخزينه: يجب إدارة المسحوق بعناية فائقة. 18Ni300 هذه السبيكة حساسة للأكسدة، لذا فإن منع الأكسدة والتلوث يمثل أولوية قصوى. وعادةً ما نقوم بغربلة المسحوق واستعادته تحت حماية من الغازات الخاملة، كما يجب أن تكون حاوية محكمة الغلق وجافة عند التخزين. فبمجرد أن يصبح المسحوق رطبًا أو ملوثًا، يمكن أن يؤثر ذلك على جودة الطباعة على أقل تقدير، وفي أسوأ الأحوال يتسبب في إلغاء الدفعة، وهو ما لا يستحق المكسب.

تحسين معلمات الطباعة:

 المعلمات الرئيسية:

• طاقة الليزر: صغيرة جدًا لعدم كفاية الذوبان، وكبيرة جدًا للإفراط في الاحتراق.
• سرعة المسح الضوئي: يؤثر على كثافة الطاقة وسلوك البركة المنصهرة.
• سُمك الطبقة: تؤثر بشكل مباشر على كفاءة الطباعة وخشونة السطح.
• استراتيجيات المسح الضوئي: مثل مسح "رقعة الشطرنج"، مما يساعد على تشتيت الإجهاد المتبقي.
• درجة حرارة التسخين المسبق: في L-PBF، يمكن أن يكون الرفع المناسب لدرجة حرارة التسخين المسبق للمنصة مفيدًا جدًا في تقليل الإجهاد المتبقي.

ما وجدته هو أنه لا توجد أي من هذه المعلمات بمفردها، وأنها تؤثر على بعضها البعض لتشكيل شبكة معقدة. نحن بحاجة إلى إجراء الكثير من التجارب للعثور على نقطة التوازن المثلى لتحقيق أعلى كثافة وأفضل الخواص الميكانيكية وأقل إجهاد متبقي.

ما بعد المعالجة:

• المعالجة الحرارية: تُعد المعالجة الحرارية للشيخوخة أمرًا أساسيًا لتحقيق كثافتها الفائقة. عادةً ما يكون 18Ni300 المطبوع في محلول صلب وليس قويًا جدًا. نحن بحاجة إلى تحفيز ترسيب المركبات النانوية بين الفلزات داخل المادة من خلال التحكم الدقيق في درجة حرارة التقادم والوقت اللازم، وبالتالي زيادة صلابتها وقوتها بشكل كبير. وعادةً ما أقوم بمعالجة المحلول لإزالة عدم تجانس الأنسجة أثناء الطباعة، متبوعًا بتعتيق متعدد المراحل. ويتمثل المبدأ في ذلك في السماح للبنية المجهرية داخل المادة بالخضوع لتغيير طوري من خلال المعالجة الحرارية، بحيث يمكن تحسين صلابتها وقوتها بشكل كبير.
• النهاية: يميل سطح الطباعة إلى أن يكون خشنًا، وقد يكون هناك بعض العيوب الطفيفة في الداخل.
• التلميع والسفع الرملي: يمكنها تحسين خشونة السطح بفعالية وهي مهمة جدًا للأجزاء التي تتطلب تركيبًا دقيقًا.
• الضغط المتساوي الحرارة (HIP): هذه أداة قوية للغاية، خاصةً للأجزاء المصنعة المضافة. يمكنها إزالة المسام الداخلية والتشققات الدقيقة بفعالية تحت درجة حرارة وضغط عاليين، مما يحسن بشكل كبير من كثافة الأجزاء وأداء التعب.