مسحوق سبائك النيكل Udimet 720: سبائك النيكل عالية الأداء

الفرص الجديدة في مجال التصنيع المضاف وصعود مسحوق سبائك النيكل Udimet 720

مما لا شك فيه أن التصنيع الإضافي (AM)، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد كما نسميها غالبًا، يُحدث ثورة 1 في تصنيع الأجزاء عالية الأداء.

بصراحة، عندما دخلنا هذه الصناعة لأول مرة، من كان يظن أنه يمكننا الآن استخدام الليزر في "طلاء" شفرات محركات الطائرات، أو حتى الغرسات الطبية؟

ويتمثل الجزء الأكثر جاذبية في هذه التقنية في قدرتها على كسر أغلال التصنيع التقليدي وتحقيق تلك الهياكل الهندسية المعقدة التي تمثل مشكلة. وفي الوقت نفسه، يمكنها في الوقت نفسه تحسين خصائص المواد، وهذا ببساطة من أجل تحقيق الأداء النهائي.

في هذا السياق، فإن ظهور مسحوق سبائك النيكل Udimet 720 أمر لا مفر منه في رأيي. هذا الشيء، باعتباره النوع الأول من السبائك النموذجية ذات درجة الحرارة العالية، فإن أداءه في درجات الحرارة القصوى وبيئة الضغط العالي مثير للإعجاب حقًا. كما نعلم جميعًا، في صناعة الطيران، وتوربينات الغاز، وصناعة المواد التي تتطلب الكثير من المتطلبات، كانت العملية التقليدية لهذا النوع من معالجة السبائك تمثل تحديًا.

توفر تقنية صُنع الإضافات الإضافية، وتحديدًا ذوبان قاع المسحوق بالليزر (LPBF)، مرحلة جديدة تمامًا لـ Udimet إلى 720 من هذه المواد. يمكن القول أنه بدون تكنولوجيا الصلب المعزز قد لا يتم إطلاق إمكانات Udimet 720 بالكامل.

مسحوق سبيكة النيكل Udimet 720: لماذا هو مثالي للتصنيع الإضافي؟

بصفتي الخبير الأول على المدى الطويل في مجال التصنيع الإضافي (AM)، أعلم أن اختيار المواد له تأثير حاسم على أداء المنتج النهائي.

من بين العديد من السبائك عالية الأداء، لا شك أن مسحوق سبائك النيكل Udimet 720 هو أحد الخيارات التي أوصي بها أولاً عند التفكير في التطبيقات الصعبة. يمكن وصف أدائها في التصنيع الإضافي بأنه "مذهل.

تحليل خواص المواد:

أولاً، دعنا نتحدث عن القدرة التنافسية الأساسية لـ Udimet 720.

• قوة عالية وخصائص زحف وإجهاد ممتازة في درجات الحرارة العالية. وهذه هي أهم ميزة لها. في ممارستي، سواءً كانت شفرات التوربينات في المحركات الهوائية أو الأجزاء ذات درجات الحرارة العالية في التوربينات الغازية، هناك متطلبات صارمة تقريبًا لقوة ومقاومة التشوه للمواد في درجات الحرارة القصوى. لا يزال بإمكان Udim0et 720، مع هيكل طور التقوية الفريد من نوعه ونسبة العناصر، الحفاظ على مقاومة ممتازة للزحف والتعب في ظل ظروف عمل تصل إلى 700-800 درجة مئوية. وهذا أمر ضروري لتحسين عمر الخدمة وموثوقية المكونات. بل وأجرؤ على القول إنه في بعض البيئات ذات درجات الحرارة العالية والإجهاد العالي، يمكن أن يصنع هياكل معقدة قد تكون باهظة الثمن بالنسبة لعمليات التصنيع التقليدية.
• مقاومة التآكل، ومقاومة الأكسدة. لا تعتقد أن السبائك عالية الحرارة تركز فقط على الخواص الميكانيكية. عند العمل في وسائط غنية بالأكسجين أو التآكل في درجات الحرارة العالية، فإن ثبات سطح المادة أمر بالغ الأهمية أيضًا. يمكن أن تشكل إضافة الكروم والألومنيوم وعناصر أخرى في Udimet 720 طبقة أكسيد كثيفة على سطحها، والتي يمكن أن تقاوم بفعالية تآكل الأكسدة في درجات الحرارة العالية وبعض الوسائط المسببة للتآكل. وهذا بلا شك يوسع نطاق تطبيقه في البيئات القاسية.
• مقارنة مع مساحيق السبائك الأخرى ذات درجة الحرارة العالية. بالمقارنة مع بعض السبائك الفائقة الشائعة القائمة على النيكل، مثل Inconel 718، عادةً ما يُظهر Udimet 720 مزايا أقوى في قوة درجات الحرارة العالية وخصائص الزحف، خاصةً عندما تتجاوز درجة الحرارة 650 درجة مئوية. وبالطبع، هذا يعني أيضًا أن معالجته قد تكون أكثر صعوبة بعض الشيء، ولكن بالنظر إلى تحسين أداء الجزء النهائي، فإن هذا الجهد يستحق العناء تمامًا. وعادةً ما يتم اختيار Udimet 720 لحدود الأداء النهائي.

تأثير مورفولوجيا المسحوق وجودته على عملية AM:

والآن، ننتقل إلى المسحوق نفسه. في تصنيع المواد المضافة، يكون "الشكل الفيزيائي" للمادة بنفس أهمية "التركيب الكيميائي"، وأحيانًا يكون الأول أكثر حسمًا.

• الدرجة الكروية، وتوزيع حجم الجسيمات، والسيولة، والكثافة الظاهرية وغيرها من المعلمات ذات الأهمية. تخيل أنك تبني قلعة بالرمال. إذا كانت جزيئات الرمل مختلفة في الحجم والشكل، هل لا يزال بإمكانك بناء هيكل مسطح وكثيف؟ التصنيع الإضافي هو السبب أيضًا. تضمن الكروية الممتازة تجانس المسحوق وانضغاطه عند نشر المسحوق، وتقلل من المسامية. ويضمن التوزيع المناسب لحجم الجسيمات امتصاصًا فعالاً لطاقة شعاع الليزر أو الإلكترون ويتجنب الاحتراق الزائد أو عدم الاندماج. السيولة الجيدة هي أساس انتشار المسحوق الفعال والمستمر، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة الطباعة. ترتبط الكثافة الظاهرية المستقرة بتناسق سمك كل طبقة مسحوق. يمكن أن تؤدي الانحرافات في أي من هذه المعلمات إلى عيوب داخلية في الطباعة أو تدهور الأداء أو حتى فشل الطباعة. هذا هو الدرس الذي تعلمته من تجارب لا حصر لها.
• كيف نضمن جودة المسحوق لتحسين معدل نجاح الطباعة وأداء القِطع. بصراحة، إن مراقبة الجودة لدينا لمسحوق Udimet 720 صارمة للغاية. فبدءًا من مصدر إنتاج المسحوق، نقوم بفحص المواد الخام بدقة ونعتمد تكنولوجيا الانحلال المتقدمة (مثل الانحلال الغازي بالذوبان بالحث الفراغي VIGA) لضمان نقاء المسحوق وبنيته المجهرية. بعد ذلك، يتم إجراء سلسلة من الاختبارات الصارمة: قياس حيود الليزر لتوزيع حجم الجسيمات، وتقييم محلل الصور للكروية ونسبة الكرات الساتلية، ومقياس تدفق هول وطريقة القمع الاهتزازي لاختبار السيولة، وكذلك كثافة الضغط، والكثافة الظاهرية، وما إلى ذلك. حتى أننا ندير إمكانية التتبع من دفعة إلى أخرى. في رأيي أن المسحوق عالي الجودة ليس فقط لمعدل نجاح الطباعة، ولكن أيضًا لإعطاء الجزء النهائي "حياة" - تلك الخصائص الميكانيكية الممتازة وعمر التعب والموثوقية، وكلها تأتي من كل جزيئات مسحوق مؤهلة 1.

اندماج عملية التصنيع المضاف مع مسحوق سبائك النيكل Udimet 720

خلال السنوات العديدة التي قضيتها في ممارسة التصنيع المضاف، كان مسحوق سبائك النيكل Udimet 720 مادة رائعة للغاية. حيث إن قوتها العالية وأداءها الممتاز في مقاومة الإجهاد وثباتها في درجات الحرارة العالية تجعلها مادة لا يمكن الاستغناء عنها في مجالات رئيسية مثل الفضاء والطاقة.

مما لا شك فيه أن الجمع بين هذه السبيكة عالية الأداء وتقنية التصنيع الإضافي (AM) يعد خطوة واحدة في مجال علوم المواد والهندسة.

مراعاة تقنية AM AM السائدة في تطبيقات Udimet 720

عندما نتحدث عن تطبيق Udimet 720 في التصنيع المضاف، فإننا نركز بشكل أساسي على تقنيتين رئيسيتين: ذوبان قاع المسحوق بالليزر (LPBF/SLM) والترسيب بالطاقة الموجهة (DED/LMD). هاتان العمليتان لهما تركيزهما الخاص، وسأقوم بتقييمهما وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة وخصائص المكونات.

صهر قاع المسحوق بالليزر (LPBF/SLM):

مما لا شك فيه أن LPBF/SLM هي بلا شك إحدى العمليات التي أستخدمها غالبًا في Udimet 720. فهي تتفوق في تصنيع الأجزاء الهندسية المعقدة. ومع ذلك، ولتحقيق إمكاناتها حقًا، فإن تحسين معلمات العملية أمر ضروري. عادةً ما أبدأ بما يلي:

• تجربة تحسين معلمات العملية (طاقة الليزر، وسرعة المسح، وسُمك الطبقة، واستراتيجية المسح): بالنسبة لسبائك النيكل فائقة القاعدة المعززة بالترسيب مثل Udimet 720، وجدت أن الجمع بين طاقة الليزر وسرعة المسح يتطلب ضبطًا دقيقًا للغاية. قد يؤدي الإفراط في مدخلات الطاقة إلى ظهور حبيبات خشنة والتأثير على الخواص الميكانيكية، في حين أن الطاقة غير الكافية ستزيد من خطر حدوث عيوب الاندماج غير المكتمل. أميل إلى استخدام سماكة طبقة أقل قليلاً لتحسين دقة الطباعة وجودة السطح. أما بالنسبة لاستراتيجية المسح الضوئي، فغالبًا ما يكون المسح الضوئي المتدرج أو المتداخل فعالاً في تقليل الإجهاد المتبقي، وهو اعتبار رئيسي عندما أتعامل مع Udimet 720. ولكي أكون صادقًا، يتطلب هذا الجزء الكثير من التجارب وتراكم البيانات، ولا يوجد طريق مختصر.
• الإجهاد المتبقي وتحديات التحكم في التشققات والحلول (التسخين المسبق، وهيكل الدعم): 720 Udimet معرضة جدًا للإجهاد المتبقي والتشققات الحرارية في عملية LPBF، والتي يمكن القول بأنها "مزاج" كبير. لهذا السبب، عادةً ما أستخدم درجة حرارة أعلى للتسخين المسبق، مثل 500 درجة مئوية أو حتى أعلى، لتقليل الفرق في درجة الحرارة بين الطبقة المطبوعة والركيزة، وبالتالي قمع توليد الشقوق بشكل فعال. في الوقت نفسه، فإن تصميم هيكل الدعم المعقول مهم جدًا أيضًا. لا يمكن أن يصلح الأجزاء فحسب، بل يعمل أيضًا كقناة لفقدان الحرارة. عادةً ما أصمم دعامات أكثر كثافة وقوة للتعامل مع هذا النوع من التحديات.
• طباعة ناجحة للأشكال هندسية معقدة: لقد استخدمت تقنية LPBF لطباعة نموذج أولي ناجح لطباعة نموذج أولي لشفرة توربينات Udimet 720 مع قنوات تبريد داخلية ذات تعقيد يصعب تحقيقه بالعمليات التقليدية. ومن خلال التحكم الدقيق في المعلمات الدقيقة والمعالجة اللاحقة، تُظهر هذه الأجزاء تجانسًا جيدًا للأنسجة وخصائص ميكانيكية جيدة. إن الشعور بالرضا عند مشاهدة هذه التصاميم تتشكل خطوة بخطوة في الماكينة أمر رائع.

ترسيب الطاقة الاتجاهي (DED/LMD):

تُظهر تقنية DED إمكانات تطبيق Udimet 720 في بُعد آخر. أستخدمها في كثير من الأحيان لإصلاح الأجزاء الكبيرة أو تصنيع هياكل ذات خصائص متدرجة وظيفيًا.

• توصيل المسحوق، والتحكم في الحمام، والإدارة الحرارية: ويتمثل التحدي الذي تواجهه تقنية DED في التحكم بثبات ودقة في معدل توصيل المسحوق والسلوك الديناميكي للحمام. يؤثر انتظام تدفق المسحوق بشكل مباشر على جودة الترسيب. بالإضافة إلى ذلك، تعد الإدارة الحرارية المحلية أمرًا بالغ الأهمية أيضًا، حيث يمكن أن يؤدي التبريد السريع جدًا إلى تركيز الضغط، بينما يمكن أن يؤثر البطء الشديد على كفاءة الإنتاج. عادةً ما أقوم بضبط طاقة الليزر وسرعة تغذية المسحوق وسرعة الحركة وفقًا لهندسة الجزء وحجمه للحفاظ على تجمع منصهر مستقر ومضبوط.
• للإصلاح، مزايا تصنيع المواد المتدرجة وظيفيًا: إن أداء DED في إصلاح أجزاء Udimet 720 مثير للإعجاب. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إصلاح مكون محرك توربيني تالف إلى إطالة عمره الإنتاجي بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، من خلال تغيير تركيبة المسحوق أثناء عملية الترسيب، يمكنني إنتاج مواد متدرجة وظيفيًا، وهو أمر يكاد يكون من المستحيل تحقيقه في العمليات التقليدية. تخيل أن الجزء الداخلي من الجزء هو Udimet 720 لتوفير قوة درجة حرارة عالية، ويتم ترسيب السطح بمواد أكثر مقاومة للتآكل. كم هذا مرن وقوي!
• مثال للتطبيق العملي: شاركتُ ذات مرة في مشروع باستخدام تقنية DED لإصلاح الأجزاء الدوارة الرئيسية لمحرك طائرة. ومن خلال الترسيب الموضعي الدقيق، استعدنا بنجاح الحجم والأداء الأصلي للجزء وجعلناه يجتاز اختبارات أداء صارمة. وقد عزز هذا المشروع إيماني بالإمكانات الكبيرة لتقنية DED في مجال إصلاح السبائك عالية الأداء.

تأثير عملية ما بعد المعالجة على أداء مكون Udimet 720 AM

التصنيع الإضافي ليس سوى الخطوة الأولى في سلسلة التصنيع بأكملها. بالنسبة لمادة Udimet 720، وهي مادة ذات متطلبات أداء عالية للغاية، فإن عملية ما بعد المعالجة المناسبة أمر بالغ الأهمية أيضًا، والتي تحدد بشكل مباشر أداء الخدمة للمكون النهائي.

• الضغط المتوازن الساخن (HIP): يزيل المسامية الداخلية ويحسن الكثافة والخصائص الميكانيكية: أوصي بـ HIP تقريبًا جميع أجزاء Udimet 720 المصنعة عن طريق الإضافة. تنتج عملية AM حتمًا مسامًا صغيرة أو عيوبًا غير مدمجة، مما سيؤثر بشكل خطير على عمر التعب وصلابة الكسر للمادة. يمكن أن تؤدي معالجة HIP من خلال درجة الحرارة العالية والضغط العالي إلى إزالة هذه العيوب الداخلية بشكل فعال، بحيث تصل كثافة المكون إلى مستوى الصب أو التشكيل، وذلك لتحسين خصائصه الميكانيكية الكلية بشكل كبير. بدون HIP، لا يمكن لأداء أجزاء AM تلبية متطلبات التصميم في كثير من الحالات.
• المعالجة الحرارية: تحسين البنية المجهرية وتحسين الأداء العام: بعد HIP، يلزم إجراء عملية معالجة حرارية خاصة لتحسين البنية المجهرية ل Udimet 720. ويشمل ذلك عادةً معالجة بالمحلول ومعالجة التقادم. تهدف المعالجة بالمحلول الصلب إلى إذابة عناصر طور التقوية بشكل موحد والقضاء على فصل التصلب؛ وتعمل المعالجة بالتقادم على تحسين قوة وصلابة السبيكة من خلال التحكم في شكل الترسيب وتوزيع الطور γ''. سأقوم بتعديل معاملات المعالجة الحرارية وفقًا لمتطلبات الأداء المحددة للجزء النهائي، مثل السعي لتحقيق القوة القصوى أو الصلابة الأفضل. هذه عملية موازنة دقيقة.
• المعالجات السطحية (مثل التصنيع الآلي والتلميع): في حين أن التصنيع الإضافي يمكن أن ينتج قطعًا شبه صافية الشكل، إلا أن المعالجة الآلية اللاحقة وصقل السطح لا تزال ضرورية للأجزاء ذات المتطلبات الصارمة للأبعاد الحرجة والتشطيبات السطحية. ويمكنه إزالة خشونة السطح وتحسين أداء إجهاد السطح وضمان المطابقة الدقيقة مع أجزاء التزاوج. في رأيي، التصنيع الإضافي ليس حلاً سحرياً. يمكن للجمع بين التصنيع المضاف وعمليات التصنيع التقليدية أن يحقق حقًا أقصى إمكانات Udimet 720.

حالة تطبيق مسحوق سبائك النيكل Udimet 720 وحالة تطبيق مسحوق سبائك النيكل ورؤى الصناعة في التصنيع الإضافي

سبيكة Udimet 720، هذه السبيكة الفائقة عالية الأداء القائمة على النيكل، وبنيتها الحبيبية الفريدة وخصائصها الميكانيكية الممتازة، بحيث تكون في درجات الحرارة العالية والضغط العالي والتآكل وغيرها من الظروف القاسية ذات الأداء الممتاز.

عندما يتم تطبيقه في شكل مسحوق على التصنيع المضاف، وخاصة تقنية دمج قاع المسحوق بالليزر (LPBF)، فهو ببساطة نمر ذو إمكانات غير محدودة.

الفضاء الجوي:

في مجال صناعة الطيران، يمكن القول إن استخدام مسحوق Udimet 720 يمثل تقدمًا بارزًا في مجال الطيران. نحن نعلم أن مكونات محركات الطائرات، وخاصةً شفرات التوربينات ومكونات غرفة الاحتراق والغلاف في المحركات التوربينية، تعمل في بيئات ذات درجة حرارة عالية للغاية وبيئات ضغط لفترة طويلة.

وغالبًا ما تكون عمليات الصب والتشكيل التقليدية محدودة في حرية التصميم عند تصنيع هذه الهياكل المعقدة، مما يجعل من الصعب تحقيق أقصى درجات خفة الوزن وتحسين الأداء.

ومع ذلك، أحدث التصنيع المضاف، جنبًا إلى جنب مع مسحوق Udimet 720، ثورة في كل ذلك. أتذكر أن فريقنا حاول بناء شفرة توربينات معقدة باستخدام تقنية LPBF في أحد المشاريع المبكرة.

كانت الطريقة التقليدية تتطلب لحام عدة أجزاء، ولكن الآن يمكننا تشكيلها في قطعة واحدة، مما يقلل من عدد الوصلات ويحسن الموثوقية بشكل كبير. والأهم من ذلك، تمكّنا من خلال التصنيع بالإضافة، من تحسين تصميم قنوات التبريد الداخلية، وهي مهمة كانت ستكون شبه مستحيلة في العملية التقليدية. تؤدي مرونة التصميم هذه مباشرةً إلى كفاءة حرارية أعلى وعمر أطول للمكونات.

في مشروع ناجح لتصنيع مكونات الطيران، على سبيل المثال، قمنا بطباعة مكون غرفة احتراق رئيسية لمحرك جديد. ومن خلال تطبيق تحسين الطوبولوجيا والهيكل الشبكي، تم تقليل وزن الجزء النهائي بحوالي 201 تيرابايت 3 تيرابايت، كما تم تحسين عمر التعب وأداء الزحف في درجات الحرارة العالية بشكل كبير.

في رأيي، هذا ليس مجرد طفرة تكنولوجية فحسب، بل هو أيضاً إعادة تعريف لمفهوم تصميم الطيران بأكمله. لم يعد تحقيق الوزن الخفيف والأداء العالي حلماً بعيد المنال.

الطاقة (توربينات الغاز):

وبالإضافة إلى قطاع الطيران، يعد قطاع الطاقة، وخاصة توربينات الغاز، "ساحة معركة كبيرة أخرى لمسحوق سبائك Udimet 720".

كما أن التوربينات الغازية الكبيرة لها متطلبات عالية للغاية للمكونات ذات درجات الحرارة العالية. وسواء كانت توربينات غازية كبيرة لتوليد الطاقة أو توربينات غازية صناعية، فإن مكوناتها الطرفية الساخنة، مثل دوارات التوجيه وشفرات الدوار وبطانات الاحتراق، تتعرض لدرجات حرارة عالية تصل إلى آلاف الدرجات وقوى طرد مركزي ضخمة.

وباستخدام مسحوق Udimet 720 لتصنيع المواد المضافة، لا يمكننا فقط تصنيع قطع جديدة عالية الأداء، بل يمكننا أيضًا إحداث فرق كبير في إصلاح القطع.

تخيل أن شفرة التوربينات الغازية باهظة الثمن، إذا كان التآكل أو التشققات موضعية فقط، فقد تحتاج إلى استبدالها بالطريقة التقليدية ككل، فالتكلفة ضخمة.

أما الآن، فيمكننا استخدام مسحوق Udimet 720 للإصلاح الموضعي من خلال تقنيات الإضافة مثل الترسيب بالطاقة الموجهة (DED) لترسيب المواد بدقة واستعادة خصائصها الأصلية. ولا يؤدي ذلك إلى إطالة العمر التشغيلي للمكونات بشكل كبير فحسب، بل يقلل أيضًا من تكاليف التشغيل والصيانة بشكل كبير، ويحسن الكفاءة الاقتصادية الكلية. تُعد قدرة الإصلاح هذه ثورية لإدارة الأصول في صناعة الطاقة.