ما عمليات المعالجة الحرارية المطلوبة بعد تشغيل مكونات السبيكة الفائقة؟
تُعد المعالجة الحرارية للأجزاء المصنوعة من السبائك الفائقة بعد التشغيل خطوة أساسية وحاسمة لا يمكن تجاوزها لتحقيق الخصائص الميكانيكية المستهدفة، والاستقرار الأبعادي، والعمر التشغيلي المطلوب في البيئات القاسية. وعلى عكس السبائك البسيطة، فإن السبائك الفائقة مثل إنكونيل وواسبالوي وهاينز تُصمم لتحقيق أداء محدد، ويجب التحكم الدقيق في بنيتها المجهرية من خلال دورات حرارية محددة بدقة. تُحدد هذه العمليات بناءً على حالة المادة الأولية ومتطلبات الأداء النهائي للجزء.
المعالجات الحرارية الأساسية بعد التشغيل
تُورد السبائك الفائقة عادة في حالة “التليين” أو “المعالجة بالذوبان” لجعلها قابلة للتشغيل. بعد تشكيل الجزء بواسطة خدمة التشغيل باستخدام CNC، تُجرى العمليات التالية عادة لتحقيق أدائها الكامل.
1. التخمير بالذوبان / المعالجة الحرارية بالذوبان
تُعد هذه الخطوة غالبًا المرحلة الأولى في دورة معالجة حرارية متعددة المراحل، خاصة إذا تعرض الجزء لإجهادات أو تصلب بالتشغيل.
الهدف: إذابة الأطوار الثانوية (مثل الجاما برايم γ' أو الجاما دبل برايم γ'') داخل المحلول الصلب لتكوين بنية متجانسة ذات طور واحد. كما تُعيد تبلور البنية الحبيبية وتزيل جميع الإجهادات الداخلية الناتجة عن التشغيل.
العملية: يُسخن الجزء إلى درجة حرارة عالية جدًا (عادة بين 1700°F و2150°F / 925°C و1175°C، حسب السبيكة، مثل إنكونيل 718 عند حوالي 1750°F / 955°C) لفترة زمنية محددة، تليها عملية تبريد سريعة عادة بالماء أو الهواء المضغوط.
متى تُستخدم: كمرحلة وسيطة بعد التشغيل الخشن وقبل التقسية بالعمر، أو كعلاج نهائي للأجزاء التي تتطلب ليونة ومقاومة تآكل عالية أكثر من القوة القصوى.
2. التقسية بالترسيب (التقسية بالعمر)
تُعد هذه العملية أهم آلية تقسية لمعظم السبائك الفائقة القائمة على النيكل.
الهدف: تكوين توزيع موحد من الجزيئات الدقيقة جدًا المتماسكة (γ' أو γ'') داخل البنية المعدنية، حيث تُعيق هذه الجزيئات حركة الانزلاقات البلورية، مما يزيد بشكل كبير من مقاومة الخضوع والشد ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية.
العملية: يُسخن الجزء إلى درجة حرارة متوسطة (عادة بين 1300°F و1500°F / 700°C و815°C) ويُحتفظ به لعدة ساعات، عادة من 8 إلى 18 ساعة، وأحيانًا على مرحلتين. على سبيل المثال، تمر سبيكة إنكونيل 718 بمرحلتين من التقسية عند 1350°F (732°C) و1150°F (621°C).
متى تُستخدم: كمرحلة نهائية لمعالجة جميع الأجزاء عالية القوة تقريبًا المستخدمة في صناعات الطيران والفضاء وتوليد الطاقة، وتُجرى بعد المعالجة بالذوبان وإكمال التشغيل النهائي.
3. تخفيف الإجهاد
عملية منخفضة الحرارة تركز فقط على الاستقرار الأبعادي.
الهدف: تقليل الإجهادات المتبقية الناتجة عن التشغيل دون تغيير ملحوظ في البنية المجهرية أو الخصائص الميكانيكية للمادة. وهي ضرورية لمنع التشوه أثناء الخدمة أو المعالجات اللاحقة.
العملية: يُسخن الجزء إلى درجة حرارة أقل من نطاق المعالجة بالذوبان (عادة بين 1100°F و1600°F / 600°C و870°C) لبضع ساعات، ثم يُبرد ببطء.
متى تُستخدم: كمرحلة وسيطة بين عمليات التشغيل الخشنة والتشطيب النهائي للأجزاء المعقدة أو ذات الجدران الرقيقة، للسماح بتخفيف الإجهادات قبل التشغيل النهائي. ويمكن أيضًا أن تكون المعالجة النهائية للأجزاء التي لا تتطلب معالجة كاملة ولكن تحتاج إلى استقرار أبعادي.
التسلسل النموذجي والاعتبارات الهندسية
يكون سير العمل النموذجي لمكون عالي التكامل مثل ريشة توربين أو قاعدة محرك كالتالي:
التشغيل الخشن: يتم تشغيل الجزء حتى يصل إلى مسافة 1-2 مم من الأبعاد النهائية من خامة ملسنة.
(اختياري) تخفيف الإجهاد: لتقليل التشوه الناتج عن القطع الخشن.
المعالجة بالذوبان: لتجانس البنية وإذابة المترسبات الثانوية.
التشغيل النهائي: باستخدام خدمة التشغيل الدقيق لتحقيق الأبعاد النهائية وجودة السطح المطلوبة.
التقسية بالعمر: الخطوة النهائية لتحقيق القوة المطلوبة. ملاحظة: تؤدي هذه العملية إلى تغيرات أبعادية طفيفة فقط، مما يجعلها مناسبة بعد التشغيل النهائي.
ملاحظات هندسية مهمة:
سلامة السطح: السبائك الفائقة شديدة الحساسية للتلوث السطحي أثناء المعالجة الحرارية. يمكن لعناصر مثل الكبريت أو الرصاص أو حتى الزنك من العلامات أن تسبب هشاشة حادة. يجب تنظيف الأجزاء بدقة وإجراء المعالجة في أفران نظيفة ذات جو محمي أو مفرغ من الهواء.
التبريد السريع: ضروري بعد المعالجة بالذوبان للحفاظ على الحالة فوق المشبعة، لكنه قد يولّد إجهادات جديدة. بالنسبة للهياكل المعقدة، يجب التحكم في سرعة التبريد لتجنب التشقق.
المواصفات الصناعية: يجب أن تتوافق جميع المعالجات الحرارية مع مواصفات الصناعة الصارمة (مثل AMS، MIL-H، أو مواصفات الشركات المصنعة للمحركات). تُعد معلمات الوقت ودرجة الحرارة أساسية لتحقيق الخصائص المطلوبة في هذه المكونات عالية القيمة.
