اختيار درجة حرارة المعالجة بالضغط الحراري المتساوي (HIP) لسبيكة رينيه 125 الفائقة المصنعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر الانتقائي (LPBF)
سبائك «Rene125» هي سبيكة فائقة قائمة على النيكل يتم تصلبها اتجاهيًّا، وتتميز بخصائص ميكانيكية ممتازة في درجات الحرارة العالية، ومقاومة فائقة للأكسدة، ومقاومة ملحوظة للزحف. وتجعلها هذه الخصائص مناسبة بشكل خاص للمكونات التي تعمل في درجات حرارة عالية في تطبيقات الفضاء الجوي، مثل شفرات التوربينات. وعلى الرغم من أن تقنية التصلب الاتجاهي (DS) التقليدية تتمتع بمزايا في إعداد هياكل بلورية اتجاهية واسعة النطاق، إلا أنها مكلفة ومعقدة. ويُوفِّر صهر مسحوق الليزر (LPBF) بديلاً عن طريق المسح الليزري عالي الطاقة نقطةً نقطةً ومعدلات تبريد فائقة، مما يتيح الحصول على بنية مجهرية مماثلة.
تم توفير مسحوق «Rene125» المستخدم في هذه الدراسة من قبل شركة «Truer Technology Co., Ltd.». وقد تم تحضير المسحوق بطريقة الرش بالغاز، حيث تراوح حجم الجسيمات بين 15 و53 ميكرومتر.
| صور مأخوذة بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لمسحوق Rene125 الذي يتراوح توزيع حجم الجسيمات (PSD) بين 15 و53 ميكرومتر |
الطريقة التجريبية:
قبل عملية LPBF، جُففت المساحيق في فرن عند درجة حرارة 130 درجة مئوية لمدة ساعتين لإزالة الرطوبة وتحسين سيولتها. تم تصنيع جميع العينات على ركائز أحادية البلورة أعدتها شركة DS. وتم الحفاظ على ثبات سماكة الطبقة (30 ميكرومتر)، ومسافة المسح (100 ميكرومتر)، وزاوية المسح بين الطبقات (67°). تم اختيار قوى ليزر مختلفة (180/240/300/360 واط) وسرعات مسح مختلفة (400/500/600/700/800/900 مم/ثانية) لتحسين المعلمات وتحديد أفضل تركيبة. تم تحضير عينات مكعبة بأبعاد 8 مم (طول) × 8 مم (عرض) × 8 مم (ارتفاع) لدراسة البنية المجهرية، كما تم تحضير عينات شد بطول 30 مم، موازية لاتجاه البناء.
| عينة LPBF وتوجيهات البناء |
تم إجراء عملية الضغط الإيزوستاتيكي الساخن (HIP) عند ضغط ثابت قدره 120 ميجا باسكال في جو من غاز الأرجون، وتم اختيار ثلاث درجات حرارة مختلفة – 1050 درجة مئوية، 1150 درجة مئوية و1230 درجة مئوية لمعالجة العينات، التي أُشير إليها بـ HIP-1050 وHIP-1150 وHIP-1230 على التوالي. وأثناء المعالجة بـ HIP، تم الحفاظ على معدل التسخين عند 10 °C/دقيقة. وبعد الوصول إلى درجة الحرارة المستهدفة، تم الحفاظ عليها في درجة حرارة ثابتة لمدة 3 ساعات، ثم تم تبريدها إلى درجة حرارة الغرفة باستخدام الفرن.
شقوق التصلب:
| شقوق التصلب في عينة LPBF من مادة «رينيه 125» |
وتماشياً مع الدراسات السابقة حول السبائك الفائقة القائمة على النيكل والمعالجة بتقنية LPBF، تتكون الشقوق الداخلية في العينة الأصلية بشكل أساسي من شقوق التصلب. وقد تم اختيار العينة المصنعة باستخدام طاقة ليزر تبلغ 360 واط وسرعة مسح تبلغ 700 مم/ثانية لدراسة آلية تكوّن الشقوق. ويُظهر البناء المجهري للشق النموذجي الناتج عن التصلب خصائص كسر بين الحبيبات على طول حدود الشجيرات. وقد لوحظت داخل الشق ملامح واضحة للشجيرات الأولية وأذرع الشجيرات الثانوية.
| صورة توضح توزيع عناصر EPMA |
تقارن نتائج تحليل EPMA بين الشقوق والمناطق السليمة القريبة من طرف الشق. ويؤدي الفصل الواضح لعناصر المذاب (Hf، Ti، Ta) على حدود الحبيبات إلى ظهور الشكل المورفولوجي المميز للتصلب السلس للغشاء السائل. خلال عملية التصلب السريع، يؤدي الانصهار الموضعي للخليط المتساوي الانصهار ذي درجة الانصهار المنخفضة عند حدود الحبيبات إلى تمزق الغشاء السائل تحت تأثير الإجهاد الحراري. وتؤدي الدورات الحرارية اللاحقة الناتجة عن تداخل برك السائل المنصهر إلى تكثيف انتشار الشقوق من خلال عمليات التسييل والتصلب المتكررة.
تأثير درجة حرارة HIP على تطور البنية المجهرية:
| البنية المجهرية عند درجات حرارة HIP مختلفة |
تم تصنيع جميع العينات المعالجة بتقنية HIP وفقًا لمعلمات العملية المثلى البالغة 300 واط/900 ملم/ثانية. ويوضح الشكل أعلاه البنية المجهرية لسبائك Rene125 المعالجة بتقنية HIP عند درجات حرارة 1050 درجة مئوية و1150 درجة مئوية و1230 درجة مئوية، على التوالي. على المستوى الكلي (300 ميكرومتر)، تحتفظ العينة المعالجة بالحرارة العالية (HIP) عند 1050 درجة مئوية ببعض الشقوق غير الملتئمة والمسام غير المنتظمة، مما يشير إلى أن آلية إزالة المسام المدفوعة بالانتشار لم يتم تنشيطها بشكل كافٍ عند هذه الدرجة. مع ارتفاع درجة حرارة المعالجة بالضغط الساخن (HIP) إلى 1150 درجة مئوية، ينخفض عدد المسام بشكل ملحوظ، وتكون المسام المتبقية كروية الشكل (قطرها <5 ميكرومتر)، مما يشير إلى وجود طاقة حرارية كافية للتدفق اللدني والربط بالانتشار. تحت معالجة HIP عند 1230 درجة مئوية، تحقق العينة تكثيفًا شبه كامل ويتم التخلص من المسام تمامًا، مما يشير إلى أن الانتشار الحجمي وانزلاق حدود الحبيبات يهيمنان على عملية التكثيف عند درجات الحرارة العالية.
تحتفظ العينة التي خضعت لمعالجة HIP عند 1050 درجة مئوية بهياكل حبيبية عمودية أثناء عملية LPBF، على الرغم من وجود تكوّن واضح لحبيبات معاد تبلورها عند حدود الحبيبات. تُظهر العينة التي خضعت لمعالجة HIP عند 1150 درجة مئوية إعادة بلورة أكثر وضوحًا، مكونةً بنية مجهرية ثنائية الطور من حبيبات متساوية المحاور وحبيبات عمودية متبقية. ويُلاحظ وجود ترسبات بيضاء وفيرة على طول حدود الحبيبات. بعد المعالجة بـ HIP عند 1230 درجة مئوية، تحدث إعادة بلورة شبه كاملة. يتحول البناء المجهري لعينة HIP-1230 من بلورات عمودية خشنة إلى حبيبات متساوية المحاور ذات حدود حبيبات مستقيمة، وهو ما يتوافق مع الهجرة المتسارعة لحدود الحبيبات عند درجات الحرارة العالية. وقد انخفض عدد الترسبات البيضاء على حدود الحبيبات انخفاضًا ملحوظًا مقارنةً بالظروف عند 1150 درجة مئوية.
الاستنتاجات
يُعزى تكوّن الشقوق في سبيكة Rene125 المعالجة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر (LPBF) بشكل رئيسي إلى تركيز الإجهاد على حدود الحبيبات وانفصال الطور اليوتكتيكي ذي نقطة الانصهار المنخفضة في منطقة تداخل حوض الانصهار. وتؤدي زيادة سرعة المسح إلى تعزيز الانتقال من نمط الثقب الرئيسي إلى نمط التوصيل، مما يُحسّن نمو الحبيبات الموجه ويُخفف من تكوّن الشقوق.
تُعالج عملية الضغط المتساوي الحراري (HIP) الشقوق والمسام المتبقية أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر (LPBF) بفعالية. ويتحقق تكثيف شبه كامل عند درجة حرارة 1230 درجة مئوية، مصحوبًا بإعادة تبلور كاملة وانخفاض كبير في كثافة الانخلاعات.
