طفرة جديدة في الطباعة ثلاثية الأبعاد. دراسة علمية ثانية لعام 2024!

نُشر المقال العلمي الثاني في مجال تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في عام 2024 في 8 فبراير.

تأتي من (مكان)جامعة كوينزلاند، أستراليا(جينغكي زانغ وآخرون)جامعة تشونغتشينغ(زيونغ هو، شياوكسو هوانغ),الجامعة التقنية في الدنماركنشر الفريق المشترك مقالاً بعنوان "سبيكة تيتانيوم مطبوعة ثلاثية الأبعاد فائقة الانتظام وقوية وقابلة للسحب من خلال تصميم سبيكة ثنائية الوظيفة". سبيكة تيتانيوم مطبوعة ثلاثية الأبعاد فائقة الانتظام وقوية وقابلة للسحب من خلال تصميم سبيكة ثنائية الوظيفة".سبائك التيتانيوم المحضرة بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد تصل إلىمع قوة خضوع تبلغ 926 ميجا باسكال وليونة 261 TP3T، يتحقق التوازن بين القوة والليونة.

خلفية بحثيةغالبًا ما تحدث الحبيبات العمودية الخشنة والمراحل الموزعة بشكل غير متساوٍ أثناء الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، مما يؤدي إلى خواص ميكانيكية غير متساوية أو حتى ضعيفة. ويتضمن البحث استراتيجية تصميم تسمح باتباع نهج مباشر للحصول على قوة عالية وخصائص متناسقة لسبائك التيتانيوم عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد تبيّن أن إضافة الموليبدينوم (Mo) إلى مخاليط مسحوق المعادن عززت استقرار الطور وحسّنت من اتساق القوة والليونة وخصائص الشد للسبائك المطبوعة ثلاثية الأبعاد، وأشار مقال مراجعة علمي في العدد نفسه إلى أن المنهجية واعدة لتطبيقها على مخاليط مسحوق أخرى والقدرة على تصميم سبائك مختلفة بخصائص محسنة.

السبب الرئيسي للخصائص غير الموحدة للسبائك المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد هو:: في عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد طبقة تلو الأخرى، عادةً مع 10³-10⁸يخلق معدل التبريد العالي الذي يبلغ K/s تدرجًا حراريًا كبيرًا بالقرب من حافة وقاع حوض الذوبان حيث يتم صهر المسحوق المعدني. ويؤدي التدرج الحراري إلى نمو الحبيبات الفوقية على طول الواجهة بين المادة المنصهرة حديثًا والمادة الصلبة الموجودة أسفلها، مع نمو الحبيبات باتجاه مركز حوض الذوبان. تؤدي دورات التسخين وإعادة الصهر الجزئي أثناء الطباعة متعددة الطبقات في نهاية المطاف إلى تكوين حبيبات عمودية كبيرة ومراحل موزعة بشكل غير متجانس، وكلاهما غير مرغوب فيه حيث يمكن أن يؤدي إلى تباين الخواص وضعف الخواص الميكانيكية.

قوة-قوة التوصيل للمواد المعدنية المختلفة

تُعد سبائك التيتانيوم واحدة من أكثر مواد الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد استخدامًا. في التطبيقات الهندسية في درجات الحرارة المحيطة، تُظهر سبائك التيتانيوم المناسبة عادةً استطالة شد تتراوح بين 10 و25 في المائة، وهو ما يعكس موثوقية جيدة للمواد. وفي حين أن الاستطالة الأكبر (ليونة) تسهّل عملية التشكيل الأسهل وهي مفضلة في بعض التطبيقات، غالباً ما تكون القوة المتزايدة في نطاق الاستطالة هذا مفضلة لتحمل الأحمال الميكانيكية. ولطالما كانت هناك حاجة إلى مراعاة التوازن بين القوة والليونة في كل من تقنيات التصنيع التقليدية والمضافة لمعالجة المواد المعدنية.

إستراتيجيات وقيود تحسين القوة والليونة

هناك العديد من الاستراتيجيات لتحسين قوة وليونة السبائك المطبوعة ثلاثية الأبعاد. ويشمل ذلك تحسين تصميم السبيكة، والتحكم في العملية، وتقوية الحدود الدقيقة للحبيبات وتعديل البنية المجهرية للحبوب، وكذلك كبح المراحل غير المرغوب فيها (الهشة)، وإدخال مراحل ثانية والمعالجة اللاحقة. في الوقت الحالي، تركز الأبحاث لمعالجة مشاكل البلورات العمودية والمراحل غير المرغوب فيها على التطعيم الموضعي للعناصر لتعديل البنية المجهرية وتكوين الطور. يشجع هذا النهج أيضًا على تكوين بلورات متساوية القياس، أي هياكل ذات أحجام حبيبات متساوية تقريبًا على طول المحاور الطولية والعرضية. توفر السبائك في الموقع طريقة واعدة للتغلب على التوازن بين القوة والليونة.خاصة في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد مثل اندماج طبقة المسحوق والترسيب بالطاقة الموجهة.

استكشف الباحثون مورفولوجيا الحبوب والخصائص الميكانيكية عند إضافة عناصر مختلفة إلى السبائك المطبوعة ثلاثية الأبعاد. على سبيل المثال، نتج عن إضافة جزيئات هيدريد الزركونيوم النانوية إلى سبائك الألومنيوم غير القابلة للطباعة مواد قابلة للطباعة وخالية من التشققات مع بنية مجهرية حبيبية متساوية المحور وخصائص شدّ مصقولة مماثلة للمواد المطاوعة. ومع ذلك، بالنسبة لسبائك التيتانيوم، عادةً ما يكون لمصافي الحبوب المتاحة تجاريًا تأثير محدود على بنية الحبوب. تمت دراسة آليات صقل سبائك التيتانيوم، وخاصةً الانتقال العمودي إلى متساوي القياس أثناء التصلب بالطباعة ثلاثية الأبعاد، على نطاق واسع، ولكن تظل هناك قيود على الكفاءة. تشمل محاولات التغلب على هذه العقبة تغيير معلمات المعالجة، والتطبيقات فوق الصوتية عالية الكثافة، وإدخال الهياكل غير المتجانسة المرغوبة من خلال تصميم السبائك، وإضافة مواد مذابة كمصافي حبيبات في مواقع التنوي غير المتجانسة، ودمج مواد مذابة ذات قدرة عالية على التبريد الفائق. عناصر مثل عناصر مثبِّتة سهلة الانصهار مثل النحاس والحديد والكروم والكوبالت والنيكل، والتي تحد من قابلية الذوبان في التيتانيوم.

بحث جديد يؤدي إلى اختراقات كبيرةبدلاً من استخدام عناصر مثبّتة سهلة الانصهار β، والتي يمكن أن تؤدي إلى تكوين أيتكتات بينية معدنية هشة في سبائك التيتانيوم، اختار الباحثون الموليبدينوم من مجموعة البلورات المتجانسة β [بما في ذلك النيوبيوم (Nb) والتنتالوم (Ta) والفاناديوم (V)] في Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr). أثناء عملية صناعة السبائك في الموقع، يتم نقل الموليبدينوم بدقة إلى البركة المنصهرة ويعمل كنواة بذرة لتكوين البلورات وصقلها خلال كل طبقة مسح. تعزز المادة المضافة Mo الانتقال من البلورات العمودية الكبيرة إلى الهياكل العمودية الدقيقة المتساوية والضيقة المتساوية. كما تعمل Mo أيضًا على استقرار الطور β المرغوب فيه وتمنع تكوين عدم تجانس الطور أثناء التدوير الحراري.

توصيف سبيكة التيتانيوم Ti-5553 المخدرة بالمونيوم

وقارن الباحثون قوة الخضوع والاستطالة عند الكسر لـ Ti-5553+5Mo مع Ti-5553 (وكذلك Ti-55531 وTi-55511) المنتجة في حالة L-PBF وتحت المعالجة الحرارية بعد الطباعة. بالمقارنة مع Ti-5553 وسبائكها المماثلة في الحالة المُصنَّعة، يُظهر Ti-5553+5Mo قوة خضوع مماثلة ولكن ليونة محسنة بشكل ملحوظ. تُستخدم المعالجة الحرارية بعد الطباعة بشكل شائع لموازنة الخواص الميكانيكية لـTi-5553 المُنتَج في حالة L-PBF. على الرغم من أنه يمكن تحقيق قوة خضوع عالية (>1100 ميجا باسكال) في ظل ظروف معالجة حرارية معينة، إلا أن الليونة عادة ما تتدهور بشكل كبير مع الاستطالة عند الكسر <10%، مما يحد من الاستخدام في التطبيقات الحرجة للسلامة. على سبيل المثال، فإن مادة Ti6Al4V، التي يُطلق عليها اسم العمود الفقري لصناعة التيتانيوم، لديها الحد الأدنى الموصى به للاستطالة عند الكسر وهو 101 TP3 T. في المقابل، من دون الحاجة إلى معالجة حرارية نهائية، تُظهر الأجزاء المطبوعة مباشرة من مادة Ti-5553+5Mo، L-PBF، توازنًا ممتازًا بين القوة والليونة، ما يجعلها متميزة بين السبائك المماثلة. وفي نهاية المطاف، استخدم الباحثون هذه الاستراتيجية لتصنيعمادة ذات تجانس ممتاز في الخصائص، وقوة الخضوع 926 ميجا باسكال، والاستطالة عند الكسر 26%.

البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية ل Ti-5553 المنتج بواسطة L-PBF

الخواص الميكانيكية ل Ti-5553 و Ti-5553+5Mo المنتج بواسطة L-PBF

كانت الخواص الميكانيكية لمادة Ti-5553+5Mo متجانسة بشكل استثنائي ومحسنة مقارنةً بتلك الخاصة بمادة Ti-5553. وكشف المسح بالتصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT) لتقييم جودة الأجزاء أن كلتا المادتين أظهرتا كثافات عالية جدًا، حيث بلغ إجمالي كسور حجم المسام 0.004024% و0.001589% على التوالي، وتشير هذه الكثافات العالية إلى أن المسامية من غير المرجح أن تؤدي إلى تشتت خصائص الشد العالية في Ti-5553 وتتسق مع الاتساق العالي للخواص الميكانيكية لـ Ti-5553+5Mo. +5Mo اتساق عالٍ للخواص الميكانيكية. من أجل الكشف عن تأثير إضافة الميو على بنية الحبوب، أجرى الباحثون توصيف حيود التشتت الخلفي الإلكتروني (EBSD) لـ Ti-5553 وTi-5553 المخدّر بالميو، وتتكون البنية المجهرية لـ Ti-5553 من حبيبات كبيرة نسبيًا على طول اتجاه المسح، والتي تظهر نسجًا بلوريًا قويًا. وتؤدي إضافة 5.0 بالوزن% Mo إلى Ti-5553 إلى Ti-5553 إلى تغييرات كبيرة في بنية الحبيبات والبنية البلورية المرتبطة بها. وتظهر العديد من الحبيبات الدقيقة متساوية الحبيبات (قطرها حوالي 20 ميكرومترًا) بشكل واضح للغاية، وتتشكل على طول حواف مسارات المسح لـ Ti-5553+5Mo. وفي المقابل، تتسم البنية المجهرية لـ Ti-5553+5Mo بحبيبات دقيقة متساوية الشكل وبلورات عمودية ضيقة على طول الاتجاه التكتوني. يكشف الفحص الدقيق للبنية المجهرية عن توزيع دوري للحبيبات العمودية الدقيقة. وخلافاً للبلورات العمودية المنسوجة بشكل كبير والتي تمتد على عدة طبقات في Ti-5553، فإن مقياس طول البلورات العمودية في Ti-5553+5Mo يتحدد بحجم الحوض المنصهر، ويصبح نسج البلورات عشوائياً وضعيفاً.

توصيف البنية المجهرية ل Ti-5553 وTi-5553+5Mo

التحليل المرحلي ل Ti-5553 وTi-5553 المطعّم بالموليبدينوم

توصيف EBSD لعينات الكسر المصنوعة من Ti-55535النهاية

ومع ذلك، حدد الباحثون جزيئات الموليبدينوم غير المنحلة في البنية المجهرية وتأثيرها المحتمل غير معروف. في الواقع، يثير الوجود العشوائي للجسيمات غير المذابة في استراتيجيات السبائك الموضعية مخاوف تتعلق بالخصائص الميكانيكية والتآكل. على سبيل المثال، قد يتطلب الذوبان الكامل للجسيمات المضافة إلى السبائك في الموقع طاقة أعلى، وقد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تغيرات في البنية المجهرية وتدهور الخواص الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، فإن خواص التعب الديناميكي والتآكل الناجمة عن جزيئات المونيوم غير المنحلة غير معروفة. على الرغم من أن المعالجة الحرارية بعد الطباعة يمكن أن تزيل الجسيمات غير المنحلة، إلا أنها قد تغير البنية المجهرية، مما قد يؤثر على الخواص الميكانيكية.

بشكل عام، تفتح إستراتيجية التصميم المقترحة في هذه الدراسة العلمية آفاقًا لاستكشاف مواد لقيم المساحيق المعدنية المختلفة، وأنظمة السبائك المختلفة القابلة للطباعة، وتقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة، والطباعة المتقدمة متعددة المواد. كما أنها تمنع تكوين الحبيبات العمودية وتمنع عدم تجانس الطور غير المرغوب فيه. تنشأ هذه المشاكل بسبب التوزيعات الحرارية المختلفة، والتي تتأثر بمعلمات الطباعة لكل مسحوق. تتغلب هذه الاستراتيجية أيضًا على التوازن بين القوة والليونة في حالة الطباعة، مما يقلل من الحاجة إلى معالجات ما بعد الطباعة، وهي مزايا ستؤدي بلا شك إلى طفرة بحثية في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد.