كيف تقارن مقاومة الزحف طويلة الأمد لـ Inconel المطبوع بتقنية DMLS مع الأجزاء التقليدية؟

من منظور هندسة المواد والأداء طويل الأمد، تُعد مقاومة الزحف (Creep Resistance) في سبائك إنكونيل المصنعة بتقنية التحلب المعدني المباشر بالليزر (DMLS) عاملًا حاسمًا للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية في قطاعات الطيران والفضاء وتوليد الطاقة. وعلى الرغم من أن تقنية DMLS يمكنها تحقيق خصائص شد ممتازة على المدى القصير، إلا أن أدائها طويل الأمد في مقاومة الزحف مقارنة بالمواد المطاوعة تقليديًا يعتمد بدرجة كبيرة على التفاعل بين البنية المجهرية والمعالجة اللاحقة ووجود العيوب الناتجة عن عملية الطباعة نفسها.

الاختلاف البنيوي وتأثيره

يكمن الاختلاف الجوهري في البنية المجهرية:

• إنكونيل المطاوع تقليديًا (Forged/Wrought): تنتج عمليات مثل الحدادة بنية حبيبية متجانسة ومتساوية الأبعاد ذات حدود حبيبية واضحة. تمنح هذه البنية المتجانسة مقاومة عالية للانزلاق بين الحبوب وتكوّن الفجوات، وهما السمتان الأساسيتان لتشوه الزحف.

• إنكونيل بتقنية DMLS: تؤدي هذه التقنية إلى بنية دقيقة جدًا وغير مستقرة حراريًا نتيجة التصلب السريع. غالبًا ما تحتوي على حبيبات عمودية تنمو عبر عدة طبقات على طول اتجاه البناء. وعلى الرغم من أن هذه البنية الدقيقة تعزز مقاومة الخضوع، فإنها أقل استقرارًا تحت التعرض الحراري الطويل.

العوامل التي تحد من أداء الزحف في DMLS

1. العيوب الداخلية: تمثل المسامية الدقيقة أو الجسيمات غير المنصهرة أو فراغات نقص الاندماج مصدر قلق رئيسي في الزحف، حيث تعمل هذه العيوب كنقاط بدء لتكوّن الفجوات والشقوق المجهرية تحت تأثير الحرارة والإجهاد المستمر، مما يؤدي إلى الفشل المبكر.

2. اللاتماثل البنيوي (Anisotropy): تؤدي البنية العمودية وطبيعة التكوين الطبقي إلى اختلاف في مقاومة الزحف حسب الاتجاه. تكون المقاومة عادة أعلى في مستوى الطبقات (XY) مقارنة باتجاه البناء (Z)، حيث تسهل الحدود الحبيبية العمودية عملية التشوه بشكل أسرع.

3. عدم استقرار البنية المجهرية: تتطور البنية الدقيقة في إنكونيل المصنوع بتقنية DMLS عند تعرضها لحرارة عالية لفترات طويلة. إذ قد يحدث نمو للحبيبات الدقيقة وتراكم للطور الثانوي مما يؤدي إلى فقد تدريجي لقوة مقاومة الزحف مقارنة بالمادة المطاوعة ذات البنية المستقرة والمعالجة حراريًا بشكل مثالي.

ردم الفجوة عبر المعالجة اللاحقة

لجعل إنكونيل المصنوع بتقنية DMLS مناسبًا للتطبيقات الحرارية الحساسة، يجب اتباع سلسلة معالجة لاحقة دقيقة:

• الضغط المتساوي السخونة (HIP): تُعد هذه الخطوة الأهم على الإطلاق. تخضع القطعة لدرجات حرارة وضغط غازي عالٍ مما يؤدي إلى تشوه البلاستيك المعدني وسد المسام الداخلية. عملية HIP تحسن الليونة وتجانس البنية المجهرية بشكل كبير، ما يزيد من عمر الزحف عن طريق إزالة مواقع بدء الفشل المحتملة.

• المعالجة الحرارية بالتقسية والترسيب: تعتبر المعالجة الحرارية خطوة أساسية في سبائك مثل إنكونيل 718 بعد عملية HIP. فهي تذيب الأطوار غير المرغوبة وتكوّن جسيمات التقسية (Gamma Prime/Double Prime) بطريقة مضبوطة لتكوين بنية مستقرة مقاومة للزحف.

الحالة الحالية للأداء

مع ضبط معلمات الطباعة والمعالجة اللاحقة (HIP + معالجة حرارية)، يمكن أن يقترب أداء الزحف في إنكونيل المصنع بتقنية DMLS بدرجة ملحوظة من أداء نظيره المطاوع تقليديًا. أظهرت الدراسات أن سبيكة Inconel 718 المصنعة جيدًا يمكن أن تصل إلى 80–95% من عمر الزحف مقارنة بالمادة المطاوعة عند نفس درجات الحرارة والإجهاد.

لكن الوصول إلى التطابق الكامل يظل تحديًا صعبًا؛ فالمواد المطاوعة التقليدية تتميز ببنية أكثر تجانسًا وتكرارًا في الأداء. كما أن موثوقية نتائج الزحف في DMLS قد تظهر تباينًا أكبر بسبب حساسيتها العالية للمعلمات واحتمال وجود عيوب نادرة غير مكتشفة.

الإرشادات الهندسية للاختيار

1. اختر التشكيل التقليدي لأقصى مقاومة للزحف: في التطبيقات الحرجة جدًا مثل أقراص التوربينات التي تتطلب أعلى عمر زحف وموثوقية، تبقى المواد المطاوعة الخيار المعياري.

2. اختر تقنية DMLS للتصاميم المعقدة: تُعد هذه التقنية الخيار الأمثل عندما يتطلب التصميم قنوات تبريد داخلية أو هياكل شبكية خفيفة أو دمجًا لمكونات يصعب تحقيقها عبر التشكيل التقليدي، حتى وإن كان ذلك على حساب بعض الأداء طويل الأمد.

3. الالتزام بالمعالجة اللاحقة والفحص: يجب أن تخضع جميع الأجزاء المصنعة بتقنية DMLS والمستخدمة في بيئات حرارية عالية لمعالجة HIP ودورات معالجة حرارية معتمدة، بالإضافة إلى الفحوص غير التدميرية مثل التصوير المقطعي (CT) لضمان سلامة البنية الداخلية.

وباختصار، على الرغم من أن إنكونيل المصنع بتقنية DMLS لا يمكن افتراض أنه يعادل دائمًا أداء المواد المطاوعة المثالية في مقاومة الزحف، إلا أنه تطور من تقنية أولية للنمذجة إلى خيار إنتاج فعلي لتطبيقات حرارية متقدمة، شريطة اتباع مسار معالجة لاحقة صارم يضمن سلامة البنية على المدى الطويل.