سبيكة CuCrCrZr (C18150) سبيكة تصلب بالترسيب معروفة بخصائصها الميكانيكية والحرارية والكهربائية العالية. تُستخدم السبيكة على نطاق واسع في أجهزة التبادل الحراري وفي مجال الاندماج النووي.
سبيكة CuCrZr هي سبيكة جذابة للغاية يمكن أن تحل محل النحاس النقي في العديد من التطبيقات، حيث يتراوح الكروم في نطاق 0.5 بالوزن % إلى 1.2 بالوزن %، والزنك في نطاق 0.03 بالوزن % إلى 0.3 بالوزن %. ومن الأسهل تصنيعها، مقارنة بالنحاس النقي، عن طريق تقنية التصنيع المضافة القائمة على الليزر، والتي تتميز بخصائص ميكانيكية فائقة وتضمن توصيلًا حراريًا عاليًا بما فيه الكفاية بحيث تعتبر بديلاً فعالاً للنحاس النقي في العديد من التطبيقات.
للتزوير سبيكة CuCrZrفإن التلدين بالمحلول والتصلب بالعمر هما المعالجات الحرارية الرئيسية التي يمكن إجراؤها، بينما يمكن تخطي التلدين بالمحلول في حالة سبائك LPBF CuCrZr.
التلدين بالمحلول: تتم هذه المعالجة عن طريق تسخين المادة في جو خامل وقائي (عادةً Ar) فوق 900 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة أو عدة ساعات. ثم يتم تبريد المادة بسرعة في الماء أو الهواء لإفراط تشبع المصفوفة النحاسية بالكروم والزر. في حالة أجزاء LPBF، تكون هذه المعالجة قد اكتملت بالفعل أثناء عملية LPBF لأن حوض الذوبان يبرد بسرعة كافية ليكون بمثابة إخماد وإنتاج بنية مجهرية فائقة التشبع. تكون الأجزاء الملدنة بالمحلول لينة للغاية وتكون الخواص الميكانيكية ضعيفة للغاية ولا يمكن اعتبارها معالجة حرارية منفصلة.
التصلب العمري: وعادةً ما تتبع هذه المعالجة التلدين بالمحلول وتتم في درجات حرارة منخفضة لفترة زمنية أطول (عادةً من 400 درجة مئوية إلى 600 درجة مئوية، حتى 6 ساعات في بيئة خاملة (Ar، التفريغ، N2 وأحيانًا في جو H2). صُممت هذه المعالجة للسماح بالترسيب المتحكم به للمراحل البينية المعدنية الصلبة في المواد فائقة التشبع لإنتاج مركبات ثنائية أو ثلاثية من النحاس والكروم والزر.
في هذا العمل، فقط تصلب السن تمت دراسته مع تثبيت درجة الحرارة عند 550 درجة مئوية، وتم فحص ثلاث فترات مختلفة. وكان الهدف من ذلك هو فهم كيفية تأثير مدة المعالجة الحرارية على المادة وما إذا كانت المعالجة بالتقسية العمرية قابلة للتطبيق لتلبية المتطلبات الميكانيكية لـ CuCrZr باستخدام التصنيع الإضافي لمكونات مفاعل الاندماج.
إن التركيب الكيميائي، وتوزيع حجم الجسيمات (PSD) وشكل الجسيمات للمساحيق المستخدمة في هذه الدراسة موضحة في الشهادة أدناه:
في هذه الدراسة، طُبعت العينات المستخدمة في الفحص في أشكال هندسية شبه شبكية. ثم يتم تشكيل العينة آليًا لإزالة القشرة الخشنة وجعل العينة في الشكل الهندسي الصحيح لاختبارات الصلابة.
يتم تنفيذ تحسين المعلمة لتحقيق أعلى كثافة للعينات مع الحفاظ على مزيج من تباعد المسح (في نطاق 0.06-0.1 مم)، وسرعة الليزر (من 350 إلى 650 مم/ثانية) وقوة الليزر عند 370 واط، وعرض الشريط ثابت عند 5 مم، وسُمك الطبقة ثابت عند 0.03 مم لجميع الطبقات. عند كل طبقة، يتغير اتجاه الخطوط مع دوران 67 درجة. الاتجاه الرأسي في هذا المشروع هو نفس اتجاه المبنى. الرسم البياني في الشكل 1:
الشكل 1. رسم تخطيطي لعملية التصنيع المضافة
صُنع أربعون مكعبًا (10 مم × 10 مم × 10 مم × 10 مم) بمجموعات مختلفة من مسافات المسح وسرعة المسح. ثم تم قياس كثافتها بطريقة أرخميدس.
عولجت العينات كما هي مبنية من قبل ثلاثة تصلب الشيخوخة عند درجة حرارة 550 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة و3 ساعات و6 ساعات في جو من النيتروجين مع ميل تسخين وتبريد 150 درجة مئوية/ساعة (التبريد في فرن وفي جو واقٍ).
المدرج التكراري في الشكل 2 يوضِّح متوسط الكثافة النسبية لجميع مجموعات بارامترات عملية الدراسة المقيسة بطريقة أرخميدس. الكثافة المرجعية تساوي 8.8869 جم/سم3. ثم تُستخدم هذه القيمة بعد ذلك لحساب الكثافة النسبية للعينة المصنعة بشكل إضافي.
الشكل 2. الكثافة النسبية للعينات كدالة لمعلمات العملية
تم الحصول على أعلى كثافة نسبية (99.15%) باستخدام مجموعة معلمات المعالجة التالية: طاقة الليزر 370 واط، ومسافة المسح (مسافة التفقيس) 0.07 مم، وسرعة المسح 450 مم/ثانية، وعرض الشريط 5 مم. عند تباعد المسح 0.07 مم، لم يكن هناك تغير كبير في الكثافة النسبية مع اختلاف سرعة المسح.
إن تباعد المسح البالغ 0.06 مم ليس جيدًا بالنسبة للكثافة، مما ينتج عنه قيم كثافة في نطاق 98-98.5%. قد يكون هذا بسبب تراكم الحرارة الذي يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة مما يقلل من الكثافة النهائية.
الشكل 3 تُظهر البنية المجهرية للعينات بعد المعالجة بالتقادم لمدة ساعة واحدة و6 ساعات. وأظهر أن مدة التقادم الأطول لم تغير من سمات البنية المجهرية التي يمكن ملاحظتها عند التكبير المنخفض، مدة 1 ساعة مقارنة بمدة 6 ساعات.
الشكل 3. البنى المجهرية لعينات 1h و 6h
الشكل 4 تُظهر صورًا مجهرية SEM لعينة 6h. وأظهر أنه يمكن رؤية العديد من الجسيمات الدائرية (خاصةً في الشكل 5 ج) في الحبيبات العمودية، والتي يمكن أن تكون جسيمات نانوية. وأظهر المزيد من الفحص بواسطة EDS لهذه الرواسب ذات الحجم النانوي أنها عبارة عن رواسب صغيرة من الكروم أو الزر تتراوح بين بضعة إلى 50 نانومترًا منتشرة بالتساوي داخل المادة.
الشكل 4 صور إلكترونية ثانوية ل SEM بتكبيرات مختلفة بعد التقادم عند درجة حرارة 550 درجة مئوية لمدة 6 ساعات
كما لوحظت عيوب في العينات المدروسة. الشكل 5 تُظهر بعض العيوب النموذجية في أجزاء AM، مثل عدم الاندماج (LoF) والمسامية الناتجة بشكل أساسي عن انحباس الغاز.
الشكل 5 العيوب الموجودة في المقطع العرضي لعينة من صندوق الرمل الملوث للبيئة كما هي مبنية
الشكل 6 هي قيم صلادة فيكرز الصغرى للعينات كما هي مبنية والعينات المعالجة حراريًا. من السهل أن نفهم أن الصلابة أقل في ظروف التعتيق كما هي مبنية مقارنةً بالعينات المعتقة: تعتيق لمدة ساعة واحدة عند درجة حرارة 550 درجة مئوية يحسن هذه الصلابة بشكل كبير (165 قيمة HV، أي ضعف قيمة 84 قيمة HV في العينات كما هي مبنية). بعد 3 ساعات من التعتيق لمدة 3 ساعات، بدأت صلابة العينة في الانخفاض (متوسط 144 HV) وبعد 6 ساعات من المعالجة، أصبحت المادة أكثر ليونة، ولكن في هذه الحالة كان هناك أيضًا تحسن بالنسبة لحالة البناء. وهذا يعني أن مدة 6 ساعات طويلة جدًا، مما أدى إلى خشونة الرواسب. يمكن ملاحظة أن ساعة واحدة فعّالة بالفعل في زيادة صلابة المادة مقارنةً بالظروف المبنية. وهذا يعني أن المادة قد خضعت للشيخوخة الزائدة بعد ساعة واحدة.
الشكل 6 قيم صلادة فيكرز الصغرى للعينات كما هي والعينات القديمة
باختصار، من وجهة نظر ميكانيكية، تعد المعالجة بالتقادم واعدة لتحسين الخواص الميكانيكية لسبائك LPBF CuCrZr. لكن الأمر يحتاج إلى إجراء بعض التحقيقات للعثور على التركيبة المسبقة لخصائص المسحوق ومعلمات LPBF وعملية التقادم.
