Early-stage local melting during solid-state sintering of a Cu-Ni-Ti-Zr-Hf alloy: A combined thermodynamic and kinetic analysis

لطالما كانت المعادن هي العمود الفقري للهندسة الحديثة، لكن السبائك التي نستخدمها اليوم غالباً ما تكون محدودة بقواعد التصميم التقليدية. لعقود من الزمن، كان العلماء يبتكرون مواد جديدة عبر أخذ معدن رئيسي واحد وإضافة كميات صغيرة من عناصر أخرى لتعديل خصائصه. ومع ذلك، يتضمن نهج أحدث خلط خمسة عناصر أو أكثر بكميات متساوية تقريباً لإنشاء ما يعرف بالسبائك المركبة عالية التركيز. تعد هذه المواد بصلابة استثنائية ومقاومة للحرارة والتآكل، مما يجعلها مثالية للتطبيقات المتطلبة مثل صناعة الطيران أو الأجهزة الطبية. ومع ذلك، فإن صنعها أمر صعب؛ فعند صهرها معاً في فرن، غالباً ما تنفصل هذه الخلطات المعقدة إلى كتل غير متساوية أو تشكل هياكل ضعيفة تشبه الأشجار تدمر إمكاناتها. ولتجنب هذه العيوب، يلجأ الباحثون إلى علم ميتالورجيا المساحيق (علم مساحيق المعادن)، وهي عملية يتم فيها تحويل المعدن إلى غبار ناعم، ثم خلطه وضغطه تحت الحرارة والضغط لتشكيل كتلة صلبة. توفر هذه الطريقة مساراً أكثر نظافة للحصول على مواد متجانسة، لكنها تفرض مجموعة من الألغاز الخاصة بها عند تطبيق الحرارة.

في دراسة حديثة، بحث باحثون في سبيكة مركبة محددة مكونة من النحاس والنيكل والتيتانيوم والزركونيوم والهفنيوم. أرادوا تحويل هذا الخليط إلى كتلة صلبة باستخدام تقنية تسمى "التلبيد بالبلازما الشرارية"، والتي تسخن المسحوق بسرعة مع تطبيق ضغط عالٍ. بدأ الفريق بصهر العناصر الخام معاً ثم استخدام موجات صوتية عالية التردد لقذف المعدن السائل إلى قطرات كروية صغيرة بردت فوراً لتتحول إلى مسحوق. حبست عملية التبريد السريع هذه العناصر في حالة فوضوية ومنتظمة، مما منع انفصالها كما كان سيحدث في فرن بطيء التبريد. ثم أخذوا هذا المسحوق وضغطوه في شكل صلب عند درجات حرارة تتراوح بين 850 و1100 درجة مئوية. ووفقاً للخرائط القياسية التي تتنبأ بكيفية سلوك المعادن عند تسخينها، يجب أن تظل هذه السبيكة صلبة تماماً عند جميع درجات الحرارة هذه، ولا تبدأ في الانصهار إلا عند حوالي 1260 درجة مئوية.

ومع ذلك، عندما سخن الباحثون المسحوق إلى 1100 درجة مئوية، حدث شيء غير متوقع. فبدلاً من البقاء صلبة، بدأت أجزاء من المادة في الانصهار محلياً، مما خلق سائلاً تجمد لاحقاً في هيكل جديد يشبه الشجر. كان هذا لغزاً لأن درجة الحرارة الإجمالية كانت أقل بكثير من النقطة التي يجب أن تتحول عندها السبيكة بأكملها إلى سائل. كان على الفريق معرفة سبب انصهار جزء صغير من المادة بينما ظل الباقي صلباً. استبعدوا فكرة أن عملية التسخين كانت غير متساوية ببساء أو أن الفرن كان أكثر سخونة في بعض النقاط. فلو كان الحرارة هي السبب، لحدث الانصهار بشكل عشوائي عبر العينة، لكن السائل تشكل في أنماط محددة للغاية مما يشير إلى سبب كيميائي وليس حرارياً.

ولحل هذه المعضلة، نظر الباحثون إلى تاريخ المسحوق. على الرغم من أن التبريد السريع أثناء عملية التذرية جعل المسحوق يبدو متجانساً بالعين المجردة، إلا أن العناصر بداخله لم تكن مختلطة تماماً على المستوى المجهري. الطريقة التي تصلبت بها المعادن من الحالة السائلة في البداية دفعت عناصر معينة، مثل النحاس، إلى حواف القطرات الصغيرة، بينما بقيت عناصر أخرى، مثل النيكل والهفنيوم، في المركز. وعند تسخين المسحوق مرة أخرى خلال عملية الضغط، بدأت الذرات في التحرك، ولكن لمسافة قصيرة فقط. فالنحاس، الذي يمتلك جاذبية كيميائية قوية تجاه الهفنيوم، ظل محاصراً داخل الجسيمات، بينما تحرك التيتانيوم نحو المساحات بين الجسيمات. أدى هذا التحرك إلى إنشاء جيوب صغيرة ومعزولة داخل المعدن حيث أصبح تركيز النحاس فيها أعلى بكثير من الخليط الأصلي — حيث ارتفع من 15 بالمئة المقصودة إلى ما يصل إلى 41 بالمئة في بعض النقاط.

ولأن النحاس يمتزج بقوة مع الهفنيوم، فإن هذه الجيوب الغنية بالنحاس كان لها نقطة انصهار أقل بكثير من بقية السبيكة. الأمر يشبه كيف أن إضافة الملح إلى الجليد يخفض درجة الحرارة التي ينصهر عندها الجليد، مما يسمح له بالتحول إلى ماء حتى في يوم بارد. في هذه الحالة، أدى التركيز العالي للنحاس والهفنيوم في تلك النقاط المحددة إلى خفض نقطة انصهار ذلك الجزء الصغير إلى ما دون 1100 درجة مئوية. وعندما وصل الباحثون إلى هذه الدرجة، تحولت هذه الجيوب المحددة إلى سائل، بينما ظلت المادة المحيطة بها، ذات التركيبة الكيميائية المختلفة، صلبة. ثم برد السائل مرة أخرى، مشكلاً الهياكل الشجرية التي لاحظها الفريق.

تؤكد الدراسة أن الانصهار لم يكن ناتجاً عن ارتفاع حرارة الفرن، بل عن التاريخ الكيميائي الخفي للمسحوق نفسه. إن التبريد السريع الذي صنع المسحوق خلق أيضاً عدم استقرار خفياً، حيث حبس العناصر في حالة ترغب في الانفصال. وعند تطبيق الحرارة، أعادت العناصر ترتيب نفسها بما يكفي لإنشاء مناطق ذات انصهار منخفض. هذا الاكتشاف بالغ الأهمية للمهندسين الذين يرغبون في استخدام هذه السبائك المتقدمة؛ فهو يوضح أنه حتى لو بدت المادة صلبة على مخطط قياسي، فإن طريقة صنعها والتباينات الكيميائية الدقيقة داخلها يمكن أن تؤدي إلى انصهارها قبل الأوان. ومن خلال فهم أن هذه الجيوب السائلة المحلية تتشكل بسبب كيفية تفاعل النحاس والهفنيوم، يمكن للعلماء التنبؤ بشكل أفضل بكيفية معالجة هذه المعادن المعقدة دون تحويلها عرضياً إلى بركة سائلة، مما يضمن وصولها إلى كامل إمكاناتها كمواد قوية ومتينة للمستقبل.