تمكن علماء من روسيا من “ترويض” واحدة من أصعب السبائك للطباعة ثلاثية الأبعاد

يتمتع برونز الألومنيوم (Cu-9.5Al-1Fe) بموصلية حرارية أعلى من الفولاذ والتيتانيوم، بينما يتفوق على النحاس النقي في التصنيع الإضافي. ومع ذلك، فإن طباعة سبائك النحاس تطرح تحديين أساسيين: الانعكاسية العالية للمادة وتبديد الحرارة السريع. وهذا يؤدي إلى تكوين عيوب – المسام غير الاندماجية، عندما لا يتوفر لجزيئات المسحوق الوقت الكافي لتذوب تمامًا، وما يسمى بمسامية ثقب المفتاح، والتي تحدث بسبب تكوين قمع بخار عميق في المصهور، وهو غير مستقر ويترك فراغات بعد أن يتصلب المعدن. خلال التجربة، قام العلماء بتغيير كثافة الطاقة (من 125 إلى 938 جول/مم3)، وتغيير قوة الليزر (90-150 واط) وسرعة المسح (100-600 مم/ثانية). وقد وجد أنه في كثافات الطاقة المنخفضة، تسود المسام غير الاندماجية، وفي كثافات الطاقة العالية، تسود المسام من نوع ثقب المفتاح، وهي سمة من سمات نظام الاندماج العميق غير المستقر. وفي الوقت نفسه، ظل مستوى المسامية الإجمالي عند حوالي 5% في جميع الأوضاع. ونشرت النتائج في مجلة توصيف المواد. على الرغم من وجود المسامية المتبقية، أظهرت العينات خواص ميكانيكية تتجاوز تلك الموجودة في برونز الألومنيوم المصبوب. كانت قوة الشد تصل إلى 748 ميجا باسكال، والاستطالة النسبية تصل إلى 16.2%، وهي قريبة من معايير برونز النيكل والألومنيوم (Ni-Al-Bronze)، المستخدم تقليديًا في المكونات ذات التحميل الثقيل. “لقد تمكنا من إظهار أنه حتى عند استخدام معدات ذات طاقة ليزر محدودة، فمن الممكن تحقيق خواص ميكانيكية قريبة من برونز النيكل والألومنيوم الصناعي. وتبين أن العامل الرئيسي لم يكن مجرد زيادة في مدخلات الطاقة، ولكن فهم آليات الانتقال بين العيوب من مختلف الأنواع. وقال ستانيسلاف إيفلاشين، الأستاذ المشارك في مركز سكولتيك لتقنيات المواد والمؤلف المشارك للعمل: “يسمح لنا هذا بالتنبؤ بخصائص المادة حتى في مرحلة اختيار معلمات الطباعة”. أولى المؤلفون اهتمامًا خاصًا للتغيرات في تكوين المرحلة. أثناء عملية التبلور فائق السرعة، وهي خاصية الذوبان بالليزر، تم اكتشاف مراحل غير نمطية بالنسبة لبنية توازن برونز الألومنيوم: طبقات من نوع Al₂Cu وجسيمات Cu₃Fe النانوية. لقد ثبت أيضًا أن زيادة كثافة الطاقة تؤدي إلى انخفاض في الطور الذي يساهم بشكل رئيسي في صلابة المادة وقوتها، ولكن له تأثير سلبي على التوصيل الكهربائي والحراري. تتشكل هذه الهياكل والأطوار بسبب معدلات التبريد التي تصل إلى 10⁷ كلفن/ثانية وتؤثر على توازن القوة والمرونة، فضلاً عن الخصائص الحرارية. “باستخدام مجموعة من الأساليب – من دراسة البنية المجهرية باستخدام طرق الفحص المجهري المختلفة إلى قياس الخصائص الفيزيائية والميكانيكية – أنشأنا علاقة مباشرة بين كثافة التفكك والتوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي. وتبين أنه مع زيادة مدخلات الطاقة، تنخفض كثافة التفكك وتحدث إعادة توزيع الألومنيوم في الهيكل، مما يؤدي إلى زيادة التوصيل الحراري، ولكن مع ذلك دون أي تدهور واضح في الخصائص الميكانيكية. وفي الوقت نفسه، فإن المسامية لها تأثير ضئيل “. فيليبوفا، المؤلفة الأولى للعمل، وطالبة دراسات عليا في برنامج الرياضيات والميكانيكا في سكولتيك. تم إجراء قياسات التوصيل الحراري على نطاق واسع من درجات الحرارة – من 5 إلى 575 كلفن – باستخدام طريقتين مستقلتين – تحليل PPMS وتحليل فلاش الليزر. أظهر الباحثون أن الموصلية الحرارية للعينات التي تم الحصول عليها بكثافة طاقة عالية تصل إلى 47 واط/(م ك) في درجة حرارة الغرفة، وهي قريبة من قيم المواد المصبوبة، ولكن بقوة أعلى بكثير.