تُعرف السبائك ذات الإنتروبيا العالية بمزيجها المتساوي تقريبًا من العناصر المعدنية المتعددة. يمكنهم الأداء بشكل جيد في نفس الوقت من حيث القوة والمتانة ومقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل. وتعتبر بمثابة الجيل القادم من المواد الهيكلية الرئيسية لمجالات الطيران والطاقة. ومع ذلك، فإن إعدادهم واجه دائمًا مشاكل مثل الخلط غير المتساوي و"التبقع" للهيكل.اقترح فريق بحث من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) مؤخرًا طريقة جديدة للتحكم في مسار الليزر للطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد. ومن خلال "التحريك المجهري" للبركة المنصهرة أثناء عملية الطباعة، نجحت في تحسين كفاءة خلط السبائك ذات الإنتروبيا العالية على المقياس الذري، مع طباعة الأجزاء ذات الهياكل المعقدة مباشرة.
غالبًا ما تستخدم السبائك التقليدية معدنًا واحدًا كمصفوفة، مكملة بكمية صغيرة من العناصر الأخرى لتحسين الأداء. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إضافة كمية صغيرة من الكربون إلى الحديد إلى إنتاج فولاذ ذو قوة محسنة بشكل كبير، ويمكن أن يؤدي إضافة النيكل والكروم إلى تكوين فولاذ مقاوم للصدأ يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل. مع استمرار تزايد الطلب على التطبيقات الهندسية، خاصة في التوربينات وتوربينات الغاز والمركبات الفضائية والسيناريوهات الأخرى حيث أصبحت المتطلبات الشاملة للقوة والمتانة ومقاومة درجات الحرارة العالية أكثر صرامة، بدأت أنظمة السبائك عالية الإنتروبيا التي تعتمد على خمسة أو أكثر من المعادن بنسب مماثلة تقريبًا تحظى باهتمام واسع النطاق. ومع ذلك، فإن المعادن المختلفة لها اختلافات كبيرة في الكثافة ونقطة الانصهار وسلوك التصلب. وحتى لو كان من الممكن دمجها مؤقتًا عند درجات حرارة عالية، فمن الممكن أن تنفصل بسهولة أثناء عملية التبريد، وتشكل مناطق ذات خصائص مختلفة بشكل كبير وتضعف الأداء العام للمادة. وكما أكد فان تشانغ، عالم الفيزياء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، والذي شارك في الدراسة، أنه لكي تستفيد السبائك ذات الإنتروبيا العالية من مزاياها، يجب أن تحقق خلطًا كافيًا وموحدًا على المستوى الذري، مما يفرض متطلبات أعلى على عملية التصنيع.
في الوقت الحالي، تشمل الطرق الشائعة لإعداد السبائك ذات الإنتروبيا العالية في المختبرات ذوبان القوس، وتعدين المساحيق، وما إلى ذلك. ويمكن الحصول على عينات بحثية أو سبائك بسيطة، ولكن من الصعب تصنيع الأجزاء النهائية مباشرة مع تجاويف داخلية معقدة وتركيبات محلية قابلة للتعديل. يمكن لتقنية الدمج الانتقائي بالليزر (انصهار طبقة المسحوق بالليزر) في تصنيع المواد المضافة المعدنية نظريًا مزج مجموعة متنوعة من المساحيق المعدنية في طبقة المسحوق وبناء مكونات ذات أشكال هندسية معقدة من خلال ذوبان وتكديس طبقة تلو الأخرى. لذلك، يعتبر مسارًا محتملاً لتحقيق المكونات المعقدة للسبائك ذات الإنتروبيا العالية. في عملية تقليدية، يتحرك ليزر عالي الطاقة على طول مسار مسح خطي على سطح طبقة مسحوق رقيقة لتشكيل بركة منصهرة صغيرة قصيرة العمر، والتي يتم بعد ذلك تبريدها وترسيخها بسرعة. عادة ما تكون هذه العملية كافية لمعدن واحد أو سبيكة بسيطة لضمان الأداء. ومع ذلك، بالنسبة للسبائك ذات الإنتروبيا العالية التي تتطلب خلطًا كاملاً لعناصر متعددة، يكون وقت بقاء المجمع المنصهر قصيرًا جدًا والتدفق الداخلي غير كافٍ، مما يجعل من الصعب تفريق المكونات المعدنية المختلفة بشكل موحد.
يشير الحل الذي يقترحه فريق NIST مباشرة إلى عملية التدفق والتحريك داخل البركة المنصهرة: "تحريك" البركة المعدنية المنصهرة أثناء عملية الطباعة لخلط عناصر متعددة بشكل كامل قدر الإمكان قبل التصلب. بدلاً من تعديل المعدات بشكل كبير على مستوى الأجهزة، اختاروا إعادة تخطيط طريقة حركة الليزر على مستوى البرنامج، وإعادة كتابة مسار المسح التقليدي للخط المستقيم إلى مسار "حلقي" يتكون من منحنيات بيضاوية صغيرة مغلقة، مما يسمح لليزر برسم الحلقات بشكل متكرر في مساحة صغيرة للغاية. يعادل مسار الليزر هذا تحويل الليزر من مصدر حرارة بسيط إلى "أداة تحريك" مجهرية، مما يخلق تأثيرات حمل حراري وتحريك أقوى داخل البركة المنصهرة، مما يجبر المعادن المختلفة على الخلط بشكل كامل وموحد في وقت قصير. قام فريق البحث بتطوير برنامج مسار أداة جديد لإنشاء أنماط المسح الإهليلجي المعقدة هذه لأن برامج الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد التجارية الحالية لا تتمتع بعد بقدرات مماثلة.
للتحقق من فعالية هذه الفكرة، اختار الباحثون مجموعة مواد صعبة للغاية للاختبار: وضع سبيكة RHEA-19 المقاومة للحرارة عالية الكثافة وسبائك التيتانيوم خفيفة الوزن جنبًا إلى جنب، وترك المسح بالليزر عبر حدود المادتين على طول مسار بيضاوي. تتمتع السبائكتين باختلافات واضحة في الكثافة والخصائص الحرارية. يتم فصلها بسهولة في ظل ظروف حوض السباحة المنصهر التقليدية ويصعب تشكيل سبيكة جديدة موحدة. لذلك، فهي مناسبة جدًا لـ "أسئلة الفحص الصارمة". من خلال هذا الترتيب، يأمل الفريق في ملاحظة ما إذا كان المجمع المنصهر يمكنه خلط المادتين في سبيكة موحدة جديدة عند الحدود تحت تأثير "التحريك" بالليزر، بدلاً من مجرد تشكيل هيكل من مرحلتين بواجهة واضحة.
لفهم ما يحدث داخل البركة المنصهرة، لا يكفي مراقبة العينة المتصلبة بعد وقوعها، لأن عملية الذوبان والتصلب تحدث على نطاق زمني أقل من ثانية، ويكون المعدن عالي الكثافة معتمًا للضوء المرئي، مما يجعل من الصعب على طرق التصوير التقليدية "رؤية" الجزء الداخلي. ولتحقيق هذه الغاية، اعتمد الباحثون على مصدر الفوتون المتقدم (مصدر الفوتون المتقدم) وهو منشأة إشعاع السنكروترون الكبيرة في مختبر أرجون الوطني. يمكن لهذا المسرع الدائري الذي يبلغ حجمه حجم الملعب أن يوفر أشعة سينية ساطعة للغاية، ومناسبة لاختراق العينات المعدنية والحصول على المعلومات الهيكلية الداخلية. استخدم الفريق تقنية حيود الأشعة السينية لتسجيل أنماط تشتت الأشعة السينية داخل المادة في الوقت الفعلي أثناء عمليات الذوبان والتصلب، والتي من خلالها قاموا بتحليل مسارات تطور الترتيب الذري في مراحل مختلفة، وقاموا ببناء صورة سلسلة زمنية للبنية الديناميكية للتجمع المنصهر. وفي الوقت نفسه، استخدموا أيضًا المجاهر الإلكترونية لإجراء ملاحظات تفصيلية للمادة الصلبة النهائية للتأكد مما إذا كان هيكل السبائك قد حقق التوحيد المتوقع وإمكانات الأداء.
تظهر الأدلة التجريبية أن استراتيجية "التحريك" بالليزر تعمل على تحسين تركيبة المواد التي يصعب خلطها، حيث تشكل المناطق الحدودية هياكل سبائك جديدة تكون مختلطة بشكل أكثر تجانسًا، بدلاً من مجرد طبقات أو قطع. والأهم من ذلك، أن الأبحاث تظهر أن تصميم مسار الليزر لا يؤثر فقط على هندسة التشكيل، ولكن يمكن استخدامه أيضًا كمعلمة عملية رئيسية للتحكم في طريقة تكوين السبائك وتعزيز خلط عناصر متعددة. يوفر هذا بعدًا تحكمًا جديدًا لتطوير أنظمة السبائك الجديدة باستخدام طرق التصنيع المضافة. مجتمعًا، يستخدم الحل التقني الذي اقترحه الفريق منصة دمج طبقة مسحوق الليزر الحالية لتحقيق إعداد المواد الخام للسبائك ذات الإنتروبيا العالية وتشكيل الجزء النهائي المعقد في نفس العملية من خلال التحكم في المسار المحدد بالبرمجيات.
من منظور طويل المدى، فإن تأثير هذا العمل يتجاوز مجرد طباعة سبيكة معينة "صعبة" ذات إنتروبيا عالية. في الوقت الحاضر، تعتمد الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن غالبًا على مسحوق واحد مخلوط مسبقًا. إن صنع سبائك مختلفة يعني إعداد مجموعة متنوعة من المساحيق المقابلة، وهو أمر صعب من حيث التكلفة واللوجستيات وتكييف العملية. تشير فكرة "الخلط بالليزر" التي اقترحتها NIST إلى احتمال آخر: وضع مساحيق معدنية أساسية نسبيًا في نفس المعدات، وخلطها عند الطلب داخل المعدات من خلال التحكم في مسار الليزر ومعلمات العملية، على غرار الطابعة الملونة التي تمزج بضعة أحبار لإنتاج ألوان غنية، مما يجعل منصة التصنيع المضافة عبارة عن مصنع سبائك يدمج "التركيبة" في الموقع والتشكيل في الموقع. بمجرد تحقيق التطبيقات الناضجة، لا يمكن لمعدات الطباعة تقليل أنواع المساحيق وتكاليف المخزون فحسب، بل يمكنها أيضًا تحقيق تصميم متدرج للمكونات داخل جزء واحد - على سبيل المثال، استخدام تركيبات سبائك أكثر مقاومة للحرارة في المناطق ذات درجة الحرارة العالية لشفرات التوربينات، واستخدام الصيغ التي توازن القوة والكثافة في المناطق الحاملة للحمل الهيكلي أو مناطق تقليل الوزن، دون الحاجة إلى اللحام أو توصيل مكونات المواد المختلفة ميكانيكيًا.
وبطبيعة الحال، لا تزال هذه التكنولوجيا في مرحلة البحث والتحقق وليست حلاً صناعياً جاهزاً للاستخدام. يختلف سلوك أنظمة السبائك المختلفة في البركة المنصهرة اختلافًا كبيرًا. الخلط هو رابط واحد فقط. في التطبيقات الهندسية، يجب أيضًا التحكم في متغيرات متعددة مثل ميل التشقق وعيوب المسام والإجهاد المتبقي ومعدل التبريد وجودة المسحوق والمعالجة الحرارية اللاحقة في وقت واحد. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج الأنظمة البيئية للبرامج التجارية وأنظمة التحكم في المعدات أيضًا إلى المتابعة لدعم مسارات أدوات الليزر المعقدة واستراتيجيات خلط السبائك بشكل منتظم في السيناريوهات الصناعية. تم نشر نتائج الأبحاث ذات الصلة في مجلة "التصنيع الإضافي"، مما يوفر اتجاهًا جديدًا للعملية مع أساس تجريبي للتصنيع الإضافي المستقبلي للسبائك عالية الإنتروبيا والأجزاء الهيكلية المعقدة.