الطباعة ثلاثية الأبعاد لواحد من أقوى أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ
تخفض التكاليف وتزيد مرونة التصنيع ووضع جدول لفهم أفضل لكيفية طباعة أنواع أخرى
بالنسبة للطائرات وسفن الشحن ومحطات الطاقة النووية والتقنيات الحيوية الأخرى، فإن القوة والمتانة ضرورية، هذا هو السبب في أن العديد منها يحتوي على سبيكة قوية بشكل ملحوظ ومقاومة للتآكل تسمى 17-4 الفولاذ المقاوم للصدأ تصلب الترسيب (PH).
الآن، ولأول مرة على الإطلاق، يمكن طباعة 17-4 فولاذ PH بشكل ثابت ثلاثي الأبعاد مع الاحتفاظ بخصائصها المفضلة.
حدد فريق من الباحثين من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) وجامعة ويسكونسن ماديسون، ومختبر أرجون الوطني 17-4 تركيبات فولاذية معينة، عند طباعتها، تتطابق مع خصائص النسخة المصنعة تقليديًا.
تعتمد استراتيجية الباحثين، الموصوفة في مجلة Additive Manufacturing ، على بيانات عالية السرعة حول عملية الطباعة التي حصلوا عليها باستخدام الأشعة السينية عالية الطاقة من معجل الجسيمات.
يمكن أن تساعد النتائج الجديدة منتجي 17-4 أجزاء PH على استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لخفض التكاليف وزيادة مرونة التصنيع.
قد يؤدي النهج المستخدم لفحص المواد في هذه الدراسة أيضًا إلى وضع الجدول لفهم أفضل لكيفية طباعة أنواع أخرى من المواد والتنبؤ بخصائصها وأدائها.
على الرغم من مزاياها مقارنةً بالتصنيع التقليدي ، إلا أن الطباعة ثلاثية الأبعاد لبعض المواد يمكن أن تؤدي إلى نتائج غير متسقة للغاية لتطبيقات معينة، تعد طباعة المعدن أمرًا معقدًا بشكل خاص، ويرجع ذلك جزئيًا إلى مدى سرعة تغير درجات الحرارة أثناء العملية.
طابعة ثلاثية الأبعاد من نوع انصهار طبقة المسحوق الليزرية، قيد التشغيل، يضيف انصهار طبقة المسحوق بالليزر طبقات متتالية من مسحوق المعدن ثم يستخدم الليزر لإذابة كل طبقة في مكانها على الجزء الذي يتم إنشاؤه.
فان تشانج ، مؤلف مشارك في الدراسة، قال: عندما تفكر في التصنيع الإضافي للمعادن ، فإننا نقوم بشكل أساسي بلحام الملايين من الجسيمات الصغيرة المسحوقة في قطعة واحدة بمصدر عالي الطاقة مثل الليزر، وصهرها في سائل وتبريدها إلى مادة صلبة”، “لكن معدل التبريد مرتفع ، وأحيانًا أعلى من مليون درجة مئوية في الثانية ، وهذا الشرط الشديد عدم التوازن يخلق مجموعة من تحديات القياس غير العادية.”
وأضاف، لأن المادة تسخن وتبرد بسرعة كبيرة ، فإن الترتيب أو التركيب البلوري للذرات داخل المادة يتغير بسرعة ويصعب تحديده، دون فهم ما يحدث للبنية البلورية للصلب أثناء طباعتها، كافح الباحثون لسنوات لطباعة 17-4 PH ، حيث يجب أن يكون التركيب البلوري مناسبًا تمامًا – وهو نوع يسمى martensite – حتى يتم عرض المادة خصائصها المرغوبة للغاية.
يهدف مؤلفو الدراسة الجديدة إلى إلقاء الضوء على ما يحدث أثناء التغيرات السريعة في درجات الحرارة وإيجاد طريقة لدفع الهيكل الداخلي نحو مارتينسيت.
مثلما كانت هناك حاجة إلى كاميرا عالية السرعة لرؤية أجنحة الطائر الطنان ، فقد احتاج الباحثون إلى معدات خاصة لمراقبة التحولات السريعة في الهيكل التي تحدث في أجزاء من الثانية، وجدوا الأداة المناسبة لهذا العمل في حيود السنكروترون للأشعة السينية، أو XRD.
قال Lianyi Chen ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في UW-Madison والمؤلف المشارك في الدراسة: “في XRD ، تتفاعل الأشعة السينية مع مادة وستشكل إشارة تشبه بصمة الإصبع المقابلة للبنية البلورية المحددة للمادة”.
في مصدر الفوتون المتقدم (APS) ، وهو مسرع جسيمات يبلغ طوله 1100 متر وموجود في مختبر أرغون الوطني ، قام المؤلفون بتحطيم الأشعة السينية عالية الطاقة في عينات من الفولاذ أثناء الطباعة.
حدد المؤلفون كيف تغيرت البنية البلورية على مدار الطباعة ، وكشفوا عن كيفية تأثير عوامل معينة كانوا يتحكمون فيها – مثل تركيبة المعدن المسحوق – في العملية طوال الوقت.
في حين أن الحديد هو المكون الأساسي لصلب 17-4 PH ، يمكن أن يحتوي تكوين السبيكة على كميات مختلفة تصل إلى اثني عشر عنصرًا كيميائيًا مختلفًا.
تم تجهيز المؤلفين الآن بصورة واضحة للديناميكيات الهيكلية أثناء الطباعة كدليل ، وتمكنوا من ضبط تركيبة الفولاذ للعثور على مجموعة من التراكيب بما في ذلك الحديد والنيكل والنحاس والنيوبيوم والكروم فقط التي فعلت ذلك. حيلة.
“التحكم في التركيب هو حقًا مفتاح الطباعة ثلاثية الأبعاد للسبائك.
من خلال التحكم في التركيب ، يمكننا التحكم في كيفية ترسيخها. وقد أظهرنا أيضًا أنه ، على مدى واسع من معدلات التبريد ، لنقل ما بين 1000 و 10 ملايين درجة مئوية في الثانية ، فإن تركيباتنا تؤدي باستمرار إلى فولاذ PH بالكامل من 17-4 مارتينسيت “، قال تشانغ.
على سبيل المكافأة ، أدت بعض التركيبات إلى تكوين جسيمات نانوية تحفز القوة والتي تتطلب ، بالطريقة التقليدية ، تبريد الفولاذ ثم إعادة تسخينه.
بمعنى آخر ، يمكن أن تسمح الطباعة ثلاثية الأبعاد للمصنعين بتخطي خطوة تتطلب معدات خاصة ووقتًا إضافيًا وتكلفة إنتاج.
أظهر الاختبار الميكانيكي أن الفولاذ المطبوع ثلاثي الأبعاد ، بهيكله المارتنسي والجسيمات النانوية المحفزة للقوة ، يطابق قوة الفولاذ المنتج من خلال الوسائل التقليدية.
يمكن للدراسة الجديدة أن تصنع تناثرًا يتجاوز 17-4 فولاذ PH أيضًا، لا يمكن فقط استخدام النهج القائم على XRD لتحسين السبائك الأخرى للطباعة ثلاثية الأبعاد ، ولكن المعلومات التي تكشف عنها يمكن أن تكون مفيدة لبناء واختبار نماذج الكمبيوتر التي تهدف إلى التنبؤ بجودة الأجزاء المطبوعة.
قال تشين: “لدينا 17-4 موثوقة وقابلة للتكرار ، مما يقلل من حاجز الاستخدام التجاري. إذا اتبعوا هذه التركيبة ، يجب أن يكون المصنعون قادرين على طباعة 17-4 هياكل جيدة مثل الأجزاء المصنعة بشكل تقليدي”.
