Additive manufacturing of Ni-Mn-Sn shape memory Heusler alloy -- Microstructure and magnetic properties from powder to printed parts
تستقصي هذه الدراسة التطور البنيوي المجهري والمغناطيسي لسبائك هيوسلر من النيكل والمنغنيز والقصدير التي تمت معالجتها عبر الترسيب المباشر للطاقة، حيث تُظهر أنه بينما تعمل المعالجة الحرارية اللاحقة على استعادة التحول المارتنزيتي الحاد، فإن التبخر الكبير للمنغنيز والأكسدة أثناء الطباعة يستلزمان تحكماً صارماً في التركيب ومستويات الأكسجين للحفاظ على الخصائص المغناطيسية المثلى لتطبيقات التبريد بالحالة الصلبة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً لا تعتمد فيه أجهزة تكييف الهواء والثلاجات على الغازات الضارة أو الضواغط المزعجة، بل تبرد الأشياء بدلاً من ذلك باستخدام مواد صلبة تغير بنيتها الداخلية عند تعرضها للمغناطيس أو الضغط. هذا هو الوعد الذي يقدمه التبريد بالحالة الصلبة، وهي تقنية يمكن أن تجعل مستقبلنا الصديق للمناخ حقيقة واقعة. وفي قلب هذه الإمكانات تكمن سبائك معدنية خاصة تُعرف باسم سبائك "هويسلر" (Heusler alloys)، وتحديداً خليط من النيكل والمنغنيز والقصدير. تمتلك هذه المواد قدرة فريدة: يمكنها الانتقال بين ترتيبين داخليين مختلفين، أو طورين، بشكل فوري تقريباً. أحد الطورين مغناطيسي ويوجد في درجات الحرارة المرتفعة، بينما الآخر غير مغناطيسي ويتشكل عندما تبرد المادة. عملية التبديل هذه تمتص أو تطلق الحرارة، وهي الآلية الأساسية اللازمة للتبريد. ومع ذلك، فإن هذه السبائك هشة للغاية، مما يعني أنها تتحطم مثل الزجاج إذا حاولت قطعها أو تشكيلها باستخدام الأدوات التقليدية. وقد جعل هذا الهش المفرط من المستحيل تقريباً تصنيعها إلى الأشكال المعقدة والمخصصة المطلوبة للأجهزة في العالم الحقيقي.
للتغلب على عقبة التصنيع هذه، لجأ الباحثون إلى تقنية تسمى التصنيع المضاف، والتي يُشار إليها غالباً بالطباعة ثلاثية الأبعاد. فبدلاً من قطع كتلة من المعدن لتصل إلى الحجم المطلوب، تقوم هذه الطريقة ببناء جسم طبقة تلو الأخرى من مسحوق ناعم. في دراسة جديدة، بحث فريق من العلماء فيما إذا كان بإمكانهم طباعة هذه السبائك الهشة من النيكل والمنغنيز والقصدير بنجاح مع الحفاظ أيضاً على قدراتها الخاصة في التبريد. لقد ركزوا على عملية محددة تسمى الترسيب المباشر للطاقة، حيث يقوم ليزر بصهر تيار من المسحوق أثناء ترسيبه على سطح ما. كان التحدي مزدوجاً: أولاً، الحرارة العالية لليزر يمكن أن تسبب تبخر عنصر المنغنيز، مما يغير الوصفة الكيميائية للسبائك؛ ثياً، التسخين والتبريد السريع يمكن أن يترك المادة ببنية داخلية فوضوية من شأنها إفساد أدائها. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم التحكم في هذه المتغيرات لإنشاء جزء مطبوع يعمل بنفس كفاءة الجزء المصنوع تقليدياً.
بدأ الفريق بإنشاء مسحوق عالي الجودة. قاموا بصهر المعادن الخام معاً ورشها على شكل قطرات كروية صغيرة باستخدام تيار غازي، وهي عملية أنتجت جزيئات بحجم حبة الرمل تقريباً. وقبل الطباعة، قاموا بنخل المسحوق بعناً لضمان استخدام الجزيئات التي يتراوح حجمها بين 20 و50 ميكرومتر فقط، مع إزالة أي جزيئات دقيقة جداً أو كبيرة جداً. بعد ذلك، أخضعوا عينة من هذا المسحوق لمعالجة حرارية، عبر خبزها في درجة حرارة عالية جداً لمدة ست ساعات. كانت هذه الخطوة حاسمة لأن جزيئات المسحوق حديثة الصنع كانت ذات تكوين داخلي غير متساوٍ. بعد الخبز، أصبحت الجزيات متجانسة، وأصبحت خصائصها المغناطيسية أكثر حدة، حيث أظهرت انتقالاً واضحاً وقوياً بين حالاتها المغناطيسية وغير المغناطيسية. أكد هذا أن المادة الأولية كانت جاهزة للمرحلة التالية.
بعد ذلك، استخدم الباحثون الليزر لطباعة كتل صغيرة من السبائك. قاموا بتغذية المسحوق المنخول، الذي لم يخضع للمعالجة الحرارية، مباشرة في شعاع ليزر صهر المسحوق على لوح معدني ساخن، لبناء الجسم طبقة تلو الأخرى. وقد وجدوا سابقاً، من خلال تحليل عينات تمت معالجتها بإعدادات طاقة ليزر مختلفة، أن استخدام إعداد طاقة منخفض قدره 400 واط أدى إلى أقل قدر من تبخر المنغنيز وأقل قدر من المسامية، مما أبقى التركيبة الكيميائية أقرب إلى الوصفة الأصلية. لذلك، اختاروا هذا الإعداد المحدد للتحقيق الرئيسي. ومع ذلك، لم تكن الكتل المطبوعة مثالية فور طباعتها؛ فقد احتوت على مسام صغيرة، أو ثقوب، وبعض المناطق التي لم ينصهر فيها المعدن تماماً. والأهم من ذلك، أن التبريد السريع تسبب في تبخر المنغنيز أكثر قليلاً مما هو مرغوب فيه، كما تفاعل بعض الأكسجين في الغرفة مع المنغنيز لتكوين أكسيد غير مغناطيسي. هذه العيوب جعلت المادة المطبوعة، في حالتها الخام، ذات انتقال واسع وضعيف، وفشلت في إظهار السلوك الحاد والمفيد المطلوب للتبريد.
جاء الاختراق عندما طبق الباحثون معالجة حرارية ثانية على الكتل المطبوعة. لقد قاموا بخبز الأجزاء النهائية في درجة حرارة عالية لمدة 24 ساعة. عمل هذا الخبز الطويل والبطيء بمثابة زر إعادة ضبط للبنية الداخلية للمادة. فقد سمح للذرات بإعادة ترتيب نفسها في نمط موحد، مما عالج عدم الاتساق الكيميائي الناتج عن عملية الطباعة. وكانت النتيجة كتلة صلبة ذات بنية داخلية نظيفة ومنظمة تتميز بحبيبات مستطيلة تمتد على طول اتجاه بناء الجزء. والأهم من ذلك، استعادت المعالجة الحرارية قدرة المادة على الخضوع لانتقال حاد وكامل بين طوريها المغناطيسي وغير المغناطيسي. وبينما ظلت المادة المطبوعة تظهر درجة حرارة انتقال أعلى قليلاً من المسحوق الأصلي بسبب فقدان كمية صغيرة من المنغنيز أثناء الطباعة، إلا أن الأداء أصبح الآن قوياً ومتسقاً.
خلصت الدراسة إلى أنه على الرغم من أن التصنيع المضاف يفرض تحديات مثل تبخر العناصر وتكوين الأكاسيد غير المرغوب فيها، إلا أنه يمكن إدارة هذه المشكلات. ومن خلال التحكم الدقيق في طاقة الليزر وتطبيق معالجة حرارية محددة بعد الطباعة، نجح الفريق في إنشاء سبيكة هشة تحتفظ بخصائصها الوظيفية. لم تكن الأجزما المطبوعة مجرد أجسام صلبة، بل كانت مواد وظيفية قادرة على إجراء التغيرات الطورية المعقدة المطلوبة للتبريد بالحالة الصلبة. وعلى الرغم من أن القوة المغناطيسية كانت أقل قليلاً من الكتل المصبوبة تقليدياً، ويرجع ذلك على الأرجح إلى العيوب الصغيرة المتبقية، إلا أن الطريق نحو المستقبل واضح. فمع المزيد من التحسينات لتقليل التعرض للأكسجين وربما إضافة كميات صغيرة من عناصر أخرى لتثبيت البنية، يمكن لهذه التقنية أن تسمح للمهندسين قريباً بطباعة أجهزة تبريد مخصصة وعالية الأداء كان من المستحيل صنعها سابقاً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.