Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

في السعي لبناء آلات أخف وأقوى، يلجأ المهندسون غالباً إلى الألومنيوم. إنه معدن يبلغ وزنه حوالي ثلث وزن الحديد، ومع ذلك يمتلك القوة والمقاومة للصدأ اللازمتين للمهام الصعبة في مجالات الطيران والدفاع. ومع ذلك، فإن تحويل هذا المعدن إلى أجزاء معقدة ومصممة بأشكال مخصصة أمر صعب؛ فالطرق التقليدية مثل الصب أو التشغيل الآلي قد تكون هدراً للمواد أو محدودة في الأشكال التي يمكن أن تنتجها. أما النهج الأحدث، والمعروف بالتصنيع المضاف، فيقوم ببناء الأجسام طبقة تلو الأخرى، تماماً مثل الطابعة ثلاثية الأبعاد، ولكن على نطاق أوسع بكثير. وبينما تقدم هذه التكنولوجيا وعوداً كبيرة، إلا أنها تواجه عقبة كبيرة: فالحرارة الشديدة المستخدمة لصهر سلك المعدن يمكن أن تسبب تبريد المادة بشكل غير متساوٍ. وغالباً ما يؤدي هذا التبريد غير المتساوي إلى تكوين هياكل بلورية كبيرة وضعيفة وفجوات داخلية صغيرة، مما قد يجعل الجزء النهائي عرضة للتصدع أو الكسر تحت الضغط. وبالنسبة لنوع محدد من سبائك الألومنيوم المستخدمة في التطبيقات الحرجة، والمعروف بسلسلة 2319، فإن هذه العيوب تعد مزعجة بشكل خاص، مما يحد من كفاءة أداء المعدن في الظروف الواقعية.

ولحل هذه المشكلة، طور باحثون في جامعة داليان للتكنولوجيا وجامعة هواكياو طريقة جديدة تجمع بين عمليتين متميزتين: مصدر حرارة هجين وضغط ميكانيكي. لقد استخدموا تقنية تسمى "التصنيع المضاف بالقوس المستحث بالليزر"، والتي تصهر سلك الألومنيوم باستخدام مزيج من قوس كهربائي وليزر منخفض القدرة. يساعد هذا النهج الهجين في إنشاء مصهور أكثر استقراراً مما لو تم استخدام القوس الكهربائي وحده. لكن الابتكار الحقيقي يكمن فيما يحدث مباشرة بعد ترسيب كل طبقة؛ فبدلاً من ترك المعدن الساخن يبرد بشكل طبيعي، قام الفريق بتمرير أسطوانة ثقيلة فوق الطبقة الطازجة بينما كانت لا تزال دافئة. هذه العملية، المعروفة باسم "الدرفلة الدقيقة"، تعمل على تسوية السطح وتطبيق الضغط على المعدن. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان فعل الدرفلة البسيط هذا يمكن أن يصلح العيوب الداخلية الناتجة عن الحرارة ويحسن قوة جزء الألومنيوم النهائي.

قام الفريق ببناء كتل اختبار باستخدام سلك سبيكة الألومنيوم 2319، حيث صنع عينات مع وبدون خطوة الدرفلة. ثم فحصوا هذه الكتل بدقة لمعرفة ما يحدث داخل المعدن. بدون الدرفلة، برد المعدن إلى هيكل تهيمن عليه بلورات طويلة تشبه الأعمدة تنمو نحو الأعلى، تماماً كما تتكون بلورات الجليد في المجمد. هذه البلورات الطويلة، جنباً إلى جنب مع نمط شبكي هش ناتج عن اختلاط النحاس والألومنيوم، خلقت نقاط ضعف في المادة. كما كان سطح العينات غير المدرفلة غير مستوٍ، مع وجود انخفاضات وتموجات صغيرة تركتها قوس اللحام. وعندما طبق الباحثون عملية الدرفلة، تغيرت النتائج بشكل دراماتيكي؛ إذ أدى الضغط الناتج عن الأسطوانة إلى تسوية السطح، وإزالة التموجات، وخلق قاعدة مستوية وناعمة للطبقة التالية. والأهم من ذلك، أن الضغط الميكانيكي كسر البلورات الطويلة الشبيهة بالأعمدة والأنماط الشبكية الهشة، وفي مكانها، شكل المعدن حبيبات صغيرة ومنتظمة ومستديرة منتشرة بالتساوي في جميع أنحاء المادة.

كان لهذا التحول في الهيكل الداخلي للمعدن تأثير مباشر وقابل للقياس على قوته. وجد الباحثون أن العينات المدرفلة كانت أكثر صلابة وقوة بكثير من العينات غير المدرفلة؛ ففي المتوسط، زادت صلادة المعدن المدرفل بنسبة 4.6 بالمائة، وتحسنت قدرته على مقاومة الشد (قوة الشد) بنسبة 9.13 بالمائة. كما أصبح المعدن أكثر اتساقاً، حيث انخفضت التباينات في القوة من مكان إلى آخر، مما يعني أن الجزء سيعمل بشكل أكثر قابلية للتنبؤ تحت الضغط. كما ساعدت عملية الدرفلة في التخلص من جيوب الهواء الصغيرة، أو المسام، التي غالباً ما تُحبس داخل المعدن أثناء عملية الصهر. ففي العينات غير المدروفة، كانت هذه المسام أكبر وتميل إلى التكتل، مما يعمل كنقاط ضعف حيث يمكن أن تبدأ الشقوق. أما في العينات المدروفة، فقد كانت هذه المسام أصغر بكثير ومنتشرة بانتظام، مما يجعل من الصعب جداً نشوء الشق ونموه.

يكمن السبب في هذا التحسن في كيفية تفاعل المعدن مع الضغط والحرارة. فعندما ضغطت الأسطوانة على المعدن الدافئ، أجبرت الذرات على إعادة الترتيب وجعلت البلورات تتكسر إلى قطع أصغر. خلقت هذه العملية كثافة عالية من العيوب الداخلية التي تسمى "الانخلاقات"، والتي تعمل كحاجز أمام الحركة، مما يجعل المعدن أصعب في التشويه. ومع إضافة الطبقة المنصهرة التالية فوقها، عملت الحرارة من تلك الطبقة الجديدة كمعالجة "تخمير" لطيفة، مما سمح للمعدن بالاستقرار في هيكل جديد وأكثر نعومة دون فقدان فوائد الضغط. كما أن عناصر النحاس والمنغنيز داخل السبيكة، والتي يمكن أن تتكتل أحياناً وتسبب الضعف، قد تم توزيعها أيضاً بشكل أكثر انتظاماً بواسطة الدرفلة. منع هذا التوزيع المنتظم تكون تجمعات كبيرة وهشة يمكن أن تضعف الجزء. ولاحظ الباحثون أن الاتجاه الذي نمت فيه بلورات المعدن أصبح أقل هيمنة، مما قلل من الميل لأن تكون المادة قوية في اتجاه واحد وضعيفة في اتجاه آخر.

في النهاية، تثبت الدراسة أن إضافة خطوة درفلة بسيطة إلى عملية التصنيع يمكن أن تحول جزء الألومنيوم القياسي إلى مكون عالي الأداء. ومن خلال تحسين الهيكل الحبيبي الداخلي وإزالة العيوب، أظهر الباحثون أنه من الممكن التغلب على قيود التصنيع المضاف التقليدي لهذه السبيكة المحددة. وتشير النتائج إلى أن هذا النهج المشترك يوفر مساراً عملياً لإنتاج أجزاء ألومنيوم معقدة وكبيرة ليست خفيفة الوزن فحسب، بل قوية أيضاً بما يكفي للتطبيقات الأكثر تطلباً في مجالات الطيران والدفاع. ويؤكد هذا العمل أن التحكم في الحالة الفيزيائية للمعدن أثناء تبريده لا يقل أهمية عن الحرارة المستخدمة لصهر المعدن، مما يوفر أداة جديدة للمهندسين لبناء آلات أفضل.