مسحوق سبائك النيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 في الطباعة ثلاثية الأبعاد

نبذة عن المؤلف: أليكس تشين

د. أليكس تشين هو عالم مواد متخصص في السبائك المعدنية عالية الأداء والتصنيع الإضافي. مع أكثر من عقد من البحث في مجال الفولاذ المصقول ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد، يركز على تطوير الجيل القادم من تقنيات التصنيع الصناعي والفضائي. يعمل على سدّ الفجوة بين علوم المواد والابتكار الهندسي، مما يقود مستقبل التصنيع الذكي.

في عالم المواد المعدنية عالية الأداء، فإن مسحوق سبائك النيكل والصلب المقاوم للصدأ 18Ni300 (المعروف أيضًا باسم مسحوق الفولاذ المصهور 300) يتميز بقوته وصلابته وثباته الممتازة. وباعتباره الفولاذ الصلب الصلب 1 مع حوالي 18% من النيكل كجوهر، فإنه يحقق التوازن بين "القوة العالية والصلابة العالية" التي يصعب على الفولاذ التقليدي الحصول عليها من خلال تصميم سبيكة فريدة من نوعها وآلية المعالجة الحرارية. في الوقت الحاضر، مع ظهور التصنيع المضاف (الطباعة ثلاثية الأبعاد) التكنولوجيا، فإن مسحوق 18Ni300 لا يتألق فقط في مجالات الفضاء وتصنيع القوالب والسيارات والمجالات الطبية، بل يصبح أيضًا أحد المواد الرئيسية لتعزيز الابتكار في صناعة الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد. ستحلل هذه المقالة كيف يعيد مسحوق 18Ni300 تعريف المعيار الجديد لتصنيع المعادن عالية القوة من مبادئ علم المواد، ومزايا الأداء إلى إمكانات التطبيق في الطباعة ثلاثية الأبعاد.

تعرف على مسحوق سبائك النيكل والصلب المقاوم للصدأ 18Ni300

18Ni300 أسس علم المواد غير القابل للصدأ من مسحوق سبائك الصلب والنيكل

18Ni300، يشير عادةً إلى الفولاذ المارتنسيتي 300. يشير "18Ni 18" إلى محتواه من النيكل الذي يبلغ حوالي 18%، وهو عنصر أساسي لتكوين مصفوفة مارتينسيتية. يشير "300" عادةً إلى مستوى شدته في وحدة محددة. ستختلف القيمة المحددة قليلاً بسبب المعيار، ولكنها تشير جميعها إلى خاصية "الشدة الفائقة.

ويتكون بشكل أساسي من الكوبالت (Co) والموليبدينوم (Mo) والتيتانيوم (Ti) والألومنيوم (Al) بالإضافة إلى النيكل. لكل عنصر من عناصر السبائك هذه دوره الخاص. على سبيل المثال، النيكل هو المفتاح لتشكيل مصفوفة مارتينسيت ناعمة، والتي تضع الأساس لمعالجة التصلب اللاحقة؛ ويمكن أن يقلل الكوبالت من درجة حرارة التحول المارتنسيتي ويعزز ترسيب المركبات البينية المعدنية من النيكل والتيتانيوم؛ ويمكن أن يعزز الموليبدينوم تقوية المحلول الصلب ويشكل رواسب مع التيتانيوم؛ كما أن التيتانيوم والألومنيوم هما العنصران الرئيسيان بالنسبة لنا لتحقيق "التصلب الزمني، ويشكلان رواسب مركب بيني معدني متناهية الصغر عند درجة حرارة معينة، مثل Ni3 (Ti، Al)، إلخ. إن هذه الرواسب الصغيرة، مثل "المسامير" التي لا تعد ولا تحصى، هي التي تثبت حدود الحبيبات بقوة وتعيق حركة الخلع، وبالتالي تمنح المادة قوة فائقة.

بالمقارنة مع الفولاذ التقليدي، مثل بعض أنواع الفولاذ المارتنسيتي المارتنسيتي عالي الكربون، فإن مزايا 18Ni300 واضحة. غالبًا ما يرتفع الفولاذ التقليدي عالي القوة في القوة وينخفض في الصلابة. من الصعب الحصول على الاثنين معًا، ومن الصعب معالجته. يوفر الفولاذ 18Ni300 حلاً أنيقًا: فهو يتمتع بقابلية معالجة جيدة في حالة المحلول الصلب، ويمكنه تحقيق قوة مذهلة وصلابة ممتازة بعد المعالجة الحرارية، وهي ميزة كبيرة في العديد من التطبيقات الرئيسية.

18Ni300 مزايا مسحوق سبائك النيكل والصلب المقاوم للصدأ 18Ni300

• قوة وصلابة عالية للغاية: هذه بالتأكيد الميزة الأكثر مدعاة للفخر في 18Ni300. بعد معالجة الشيخوخة القياسية، فإن قوة الشد (UTS) يمكن أن تتجاوز بسهولة 1900 ميجا باسكالفإن قوة الخضوع (YS) غالبًا ما تكون أعلى من 1800 ميجا باسكالويمكن أن تصل الصلابة إلى أكثر من 50 HRC على مقياس Rockwell C. وهذا يعني أنه يمكن أن يتحمل أحمالاً ضخمة، وهو ما يجعله مثاليًا لتصنيع المعدات الفضائية (مثل أغطية محركات الصواريخ ومكونات معدات الهبوط) وأوعية الضغط العالي والقوالب الدقيقة التي تتطلب قدرة تحمل عالية.
• صلابة ممتازة ومتانة كسر ممتازة: أنا معجب بهذا الأمر بشكل خاص. غالبًا ما تكون المواد عالية القوة مصحوبة بالهشاشة، ولكن 18Ni300 يكسر هذا المبدأ. فهي لا تزال تحافظ على صلابة ممتازة مع الحفاظ على قوة عالية. وهذا يعني أنه ليس عرضة للكسر الهش الكارثي تحت الصدمات أو في حالة وجود تشققات. في مجال صناعة الطيران، تعتبر موثوقية المكونات مهمة للغاية. حتى الشقوق الصغيرة قد تؤدي إلى عواقب وخيمة. وتُعزّز صلابة الكسر العالية ل 18Ni300 من سلامة المكوّنات بشكل كبير.
• ثبات أبعاد ممتاز: هذه ميزة مهمة للغاية عند تصنيع المكونات الدقيقة. 18Ni300 في عملية المعالجة الحرارية، نظرًا لخصائص تغير طور المارتينسيت، فإن تغير حجمه صغير جدًا. وفي الوقت نفسه، يكون معامل التمدد الحراري منخفضًا نسبيًا. هذا يعني أنه بعد المعالجة الحرارية، يمكن الحفاظ على شكل الأجزاء وحجمها بدقة عالية للغاية، وهي ميزة لا يمكن الاستغناء عنها للأدوات والقوالب الدقيقة التي تتطلب تحكمًا صارمًا في التفاوت.
• قوة إجهاد جيدة: في العديد من التطبيقات الهندسية، تتعرض المكونات للتحميل والتفريغ المتكرر، والمعروف باسم التحميل الدوري. ويؤدي 18Ni300 أداءً جيدًا في ظل ظروف الكلال هذه، ويمكنه مقاومة بدء وتمدد التشققات الناتجة عن الكلال بفعالية، وبالتالي إطالة عمر خدمة المكونات، مما يحسن بلا شك من موثوقية المعدات واقتصادها.
• مقاومة التآكل: على الرغم من أننا لا يمكن أن نتوقع أن يكون لديه أعلى مقاومة للتآكل مثل الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، إلا أن 18Ni300 لا يزال يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل إلى حد ما، خاصة في البيئات الصناعية العادية. هذا يسمح باستخدامه في المواقف التي توجد فيها متطلبات معينة لمقاومة التآكل، ولكن إذا كنت تواجه بيئات شديدة التآكل، فأنت بحاجة إلى النظر في تدابير وقائية إضافية.
• قابلية التشغيل واللحام: هذا مهم جدًا لعملية التصنيع. يكون 18Ni300 ناعمًا نسبيًا في حالة المعالجة بالمحلول، مما يعني أنه يتمتع بقابلية جيدة للتشغيل الآلي ويمكن استخدامه في عمليات الخراطة والطحن وغيرها من العمليات. من ناحية أخرى، يمنحه شكل المسحوق الخاص به إمكانات كبيرة في التصنيع الإضافي. من خلال التصنيع بالإضافة، يمكننا "طباعة" الأجزاء ذات الأشكال المعقدة بشكل مباشر، مما يقلل بشكل كبير من دورة التصنيع ويحقق تحسينًا هيكليًا يصعب تحقيقه بالطرق التقليدية. بعد المعالجة الحرارية، يمكنها تحقيق أعلى مستوى من الأداء، مما يوفر مرونة كبيرة في تصميم المواد وعمليات التصنيع.

مجالات استخدام مسحوق سبائك النيكل والصلب المقاوم للصدأ 18Ni300

كما أن قوته العالية وصلابته العالية وقابليته الممتازة للمعالجة تجعل من السهل التعامل مع مجموعة متنوعة من التحديات الصعبة.

الطيران والفضاء والدفاع:

متطلبات المواد في صناعة الطيران عالية للغاية. فهي تحتاج إلى مواد خفيفة وقوية على حد سواء، ولكنها أيضًا لا تتحرك في درجات الحرارة القصوى وقوة الجاذبية العالية والتآكل والبيئات القاسية الأخرى. إنّ نيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 مصمّم ببساطة لهذا المجال. لقد شاركتُ في مشروع استُخدم فيه مسحوق سبائك النيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 لتصنيع مكونات معدات الهبوط للطائرات. إذا فكرت في الأمر، فإن الصدمة الهائلة التي تتحملها الطائرة عند الهبوط تعتبر اختبارًا رائعًا لصلابة المادة وقوة إجهادها! يمكن استخدامه أيضًا في الأجزاء الهيكلية المعقدة, أغلفة الصواريخوحتى الدقة و مكونات الأقمار الصناعية الحساسة. إن اختيارها ليس أكثر من كونها ممتازة نسبة القوة إلى الوزن والموثوقية في ظل الظروف القاسية. وهذا أمر لا يمكن لمادة واحدة القيام به.

تصنيع القوالب والأدوات:

عمل بعض أصدقائي القدامى بجد في صناعة القوالب لعقود من الزمن. في كل مرة يتحدثون فيها عن القوالب عالية العمر، سيذكرون نيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300. مقاومة التآكل ومقاومة التعب لـ قوالب الحقن عالية العمر الافتراضي, قوالب الصب بالقالب و ختم القوالب المصنعة به ببساطة مثيرة للإعجاب. أعني أنه عندما يحتاج القالب إلى العمل مئات الآلاف من المرات أو حتى ملايين المرات تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع، لا يمكن للفولاذ العادي أن يتحمل ذلك على الإطلاق. ومع ذلك، فإن نيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300، مع ما يتميز به من الصلابة و مقاومة التآكل، يمكن أن يطيل عمر القالب بشكل كبير، وبالتالي تحسين كفاءة الإنتاج بشكل مباشر وتقليل التكاليف. الفوائد الاقتصادية وراء ذلك.

صناعة السيارات:

تسعى صناعة السيارات، خاصةً في مجال السيارات عالية الأداء وسيارات السباق، سعيًا لا ينتهي أبدًا لتحسين الوزن الخفيف والأداء. وقد وجد نيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 مكانًا جيدًا لاستخدامه، مثل تصنيع مكونات المحرك عالية الأداء و مكونات مجموعة القيادة. إنه نسبة القوة إلى الوزن يمكن ترجمة الميزة مباشرةً إلى كفاءة أفضل في استهلاك الوقود وأداء أفضل في التعامل مع السيارة. أتذكر مرة واحدة رأيت سيارة واحدة تستخدم أجزاء مخصصة من الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 من النيكل المقاوم للصدأ. إن الشعور بالخفة والمتانة مذهل حقاً.

المعدات الطبية والهندسة البيولوجية:

على الرغم من أن المحتوى العالي من النيكل في نيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 غير مناسب للاستخدام المباشر كزرع طويل الأمد، إلا أن قوة عالية و ثبات الأبعاد ذات قيمة كبيرة في بعض السيناريوهات المحددة. على سبيل المثال، في تصنيع الأدوات الجراحيةالصلابة العالية للغاية ومقاومة التآكل مطلوبة؛ أو في تطوير النموذج الأولي للغرسات الدقيقةيمكننا استخدام خصائصه عالية الأداء لإثبات المفهوم والاختبار الوظيفي. وهذا يشير إلى تطبيقه كأداة أو نموذج أولي أكثر من كونه غرسة متوافقة حيوياً في النهاية.

السلع الرياضية والأدوات الدقيقة:

أخيرًا، لنلقِ نظرة على التطبيقات الأكثر صلة بالحياة اليومية. تتميز رؤوس مضارب الجولف وأجزاء الدراجات الهوائية عالية الأداء بمتطلبات أعلى لخفة الوزن وقوة المواد. يمكن أن يوفر نيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 هذا الحل الذي تجمع بين الوزن الخفيف والقوة العالية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تلعب أيضًا دورًا فريدًا في تصنيع علب أجهزة الاستشعار أو مكونات الأدوات الدقيقة التي لها متطلبات صارمة لثبات الأبعاد والخصائص الميكانيكية. يجعل أداؤها المصممين يتمتعون بإمكانيات أكبر في السعي لتحقيق الكمال.

كيف أن 18Ni300 لها تأثير تحويلي في الطباعة ثلاثية الأبعاد

التغلب على قيود التصنيع التقليدي

دائمًا ما تكون عمليات التصنيع التقليدية، وخاصةً التصنيع الآلي، غير كافية عند التعامل مع الهياكل المعقدة. يكسر الجمع بين 18Ni300 والطباعة ثلاثية الأبعاد هذه القيود تمامًا.

تحقيق الهندسة المعقدة: عندما رأيت لأول مرة الجزء المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 المصنوع من النيكل المقاوم للصدأ بالطباعة ثلاثية الأبعاد، أذهلني ببساطة هيكله الشبكي الداخلي المعقد وتصميمه الدقيق لتحسين الطوبولوجيا. هذه ببساطة لا يمكن تصورها عن طريق الصب أو التشكيل أو القطع التقليدي. وهذا يعني أنه يمكن للمهندسين التخلص من قيود "قابلية التصنيع" وتصور هياكل التحسين بجرأة لا توجد إلا نظريًا.

إمكانات خفيفة الوزن:: مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية للعضو الهيكلي أو حتى تحسينها، يمكن تقليل الوزن بشكل كبير. وهذه بلا شك ميزة كبيرة في صناعات الطيران والسيارات. مع التصنيع الإضافي، يمكننا تصميم هياكل مجوفة تشبه قرص العسل أو مجرد تكديس المواد حيثما تكون هناك حاجة إلى قوى، وهو أمر شبه مستحيل في العمليات التقليدية.

دورات تطوير وتخصيص أقصر: في السابق، كان التصميم إلى اختبار النموذج الأولي لجزء جديد قد يستغرق أسابيع أو حتى أشهر. أما الآن، وباستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكننا تكرار التصميمات بسرعة والحصول على نماذج أولية مادية للاختبار في غضون أيام. بالنسبة للمنتجات الصغيرة الحجم والمخصصة للغاية، مثل الغرسات الطبية أو أجزاء السباق، فإن هذه الميزة لا مثيل لها. هذا جعلني أفكر، هل سيكون لكل منتج نهائي ملف تصنيع خاص به في المستقبل؟

مسحوق سبائك النيكل 18Ni300 من الفولاذ المقاوم للصدأ وتقنية التصنيع المضاف

ولتحقيق هذه التغييرات، فإن خصائص مسحوق سبائك النيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 نفسه وتقنية التصنيع المضافة المستخدمة هي الأساس.

تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد السائدة: في الوقت الحالي، ينصب تركيزي الرئيسي على الصهر الانتقائي بالليزر الانتقائي (SLM)، أو المعروفة باسم الصهر القاعي للمسحوق بالليزر (LPBF). مبدأها بسيط ولكنه مليء بالحكمة: يتم نشر طبقة رقيقة من مسحوق سبائك النيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 بالتساوي على منصة البناء، ثم يقوم شعاع ليزر عالي الطاقة بإذابة المسحوق نقطة بنقطة وفقًا للنموذج الرقمي لتشكيل مقطع عرضي كثيف. يتم إنزال المنصة، ثم يتم وضع طبقة من المسحوق، ويتكرر الصهر حتى يكتمل الجزء بأكمله.

متطلبات خصائص المسحوق: الطباعة ثلاثية الأبعاد الناجحة لها متطلبات صارمة تقريبًا على جودة مسحوق سبائك النيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300.

• توزيع حجم الجسيمات: يرتبط ذلك مباشرةً بسيولة المسحوق، وتوحيد انتشار المسحوق وكثافة الجزء النهائي. المساحيق الخشنة جدًا أو الدقيقة جدًا غير مرغوب فيها. يمكن أن يضمن نطاق حجم الجسيمات المثالي تشكيل تجمع منصهر مستقر تحت تأثير الليزر وتقليل المسامية.
• الكروية: كلما كانت جزيئات المسحوق أقرب إلى الكروية، كلما كانت السيولة أفضل والكثافة الظاهرية أعلى. وهذا أمر ضروري لعملية نشر المسحوق لضمان توزيع كل طبقة من المسحوق بشكل متساوٍ ومتساوٍ. قد تتسبب الجسيمات غير المنتظمة في "سد" أو فراغات.
• النقاء الكيميائي والتوحيد الكيميائي: يرجع الأداء الممتاز لنيكل الفولاذ المقاوم للصدأ 18Ni300 إلى نسبة السبائك الدقيقة. وتؤثر أي شوائب أو عدم تجانس تركيبي في المسحوق تأثيرًا مباشرًا على الخواص الميكانيكية للجزء النهائي، مثل القوة والمتانة وعمر التعب. الأمر يشبه الطهي، فنقاء المكونات وتناسبها هو أساس رقة الطهي.
• امتصاص الأكسجين:: سيؤدي امتصاص الأكسجين العالي إلى زيادة هشاشة الطباعة، وتشكيل شوائب الأكسدة، كمصدر لبدء التشقق. لذلك، من المهم جدًا التحكم الصارم في محتوى الأكسجين في عملية إنتاج المسحوق وتخزينه وطباعته.

تحسين معلمة الطباعة:: طاقة الليزر، وسرعة المسح الضوئي، وسُمك الطبقة، واستراتيجية المسح الضوئي - إن الجمع بين هذه المعلمات هو المفتاح لتحديد جودة الطباعة. فهي تتفاعل مع بعضها البعض لتشكيل مساحة تحسين معقدة. نحتاج نحن علماء المواد في كثير من الأحيان إلى اجتياز عدد كبير من التجارب، جنبًا إلى جنب مع المحاكاة، من أجل العثور على أفضل "نافذة عملية"، من أجل تحقيق أعلى كثافة وخصائص ميكانيكية مثالية.

أهمية المعالجة اللاحقة: الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد ليست نقطة نهاية "الخطوة الواحدة". الكبس المتساوي الحرارة الساخن (HIP) و المعالجة الحرارية للشيخوخة روابط لا غنى عنها بعد المعالجة. يمكن لـ HIP القضاء على المسام الدقيقة الداخلية بفعالية وتحسين كثافة الأجزاء وأداء التعب للأجزاء بشكل كبير، وهو المفتاح لمواءمة أداء الأجزاء المطبوعة مع المطروقات التقليدية. يمكن للمعالجة الحرارية المتقادمة أن تجعل 18Ni300 تعطي دورًا كاملاً لآلية التقوية المتقادمة وتحقق القوة الفائقة المتوقعة.

الخلاصة:

من علم المعادن التقليدي إلى تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتطورة مثل ذوبان قاع المسحوق بالليزر (LPBF)، يعمل مسحوق سبائك النيكل والنيكل 18Ni300 على تغيير مشهد التصنيع بطرق لم يسبق لها مثيل. فهي لا تمنح المهندسين حرية التصميم فحسب، بل تسمح أيضًا بتوحيد "القوة والصلابة والدقة وخفة الوزن" بشكل مثالي. سواء كان الأمر يتعلق بالأجزاء الهيكلية الرئيسية للطائرات الحاملة، أو الحاجة إلى ثبات الأبعاد القصوى للقوالب الدقيقة، فإن 18Ni300 توسع باستمرار حدود أداء المواد المعدنية. مع التقدم المستمر في عملية تحضير المسحوق وتحسين معلمات الطباعة، سيستمر هذا المسحوق الفولاذي عالي الأداء في كتابة أسطورة قوته في مجالات التصنيع المتطورة والفضاء والتصنيع الذكي في المستقبل.