Abrasive Flow Machining of Additively Manufactured Inconel 718 Conformal Cooling Channels: Effects on Surface Integrity and Tribological Performance

تخيل عالماً لا تُنحت فيه أجزاء معدنية معقدة من كتلة صلبة، بل تُبنى طبقة تلو الأخرى، مثل طابعة ثلاثية الأبعاد تضع طبقات من المعدن المنصهر. هذه الطريقة، المعروفة باسم التصنيع الإضافي، تسمح للمهندسين بابتكار أشكال كان من المستحيل صنعها سابقاً، مثل الأنفاق الداخلية المعقدة لأنظمة التبريد في المحركات النفاثة أو القوالب عالية الأداء. ومع ذلك، فإن هذه الحرية تأتي بثمن؛ فبسبب تشكل المعدن عبر صهر جزيئات مسحوق دقيقة، غالباً ما تكون الجدران الداخلية لهذه الأنفاق خشنة ومنقرة، مغطاة بنقاط معدنية صغيرة غير منصهرة. وفي الأنظمة ذات التدفق السلس، تعمل هذه البقع الخشنة مثل "مطبات السرعة"، مما يؤدي إلى اضطراب السائل المتحرك عبرها والتسبب في حدوث دوامات. ولجعل هذه الأجزاء المتقدمة تعمل، يجب تنعيم الداخل الخشن، لكن الأدوات التقليدية مثل المثاقب أو الفراشي لا يمكنها الوصول إلى داخل هذه القنوات المتعرجة والمخفية.

لذا، لجأ الباحثون إلى حل ذكي يسمى "التشغيل بالتدفق الكاشط". فبدلاً من استخدام أداة صلبة، تستخدم هذه العملية معجوناً سميكاً يشبه معجون الأسنان مليئاً بحبيبات رمل صلبة وصغيرة. يتم دفع هذا المعجون تحت ضغط عالٍ ذهاباً وإياباً عبر القنوات الداخلية للجزء المعدني. وبينما ينقبض المعجون ويمر عبرها، تقوم الحبيبات الصلبة بكشط الجدران وتلميعها لتصبح ناعمة دون الحاجة إلى يد بشرية تمسك بأداة داخل الثقب. وقد وضع فريق من المهندسين هذه التقنية قيد الاختبار مؤخراً على معدن محدد عالي القوة يسمى "إنكونيل 718" (Inconel 718)، والذي يُستخدم غالباً في البيئات القاسية مثل صناعة الطيران. أرادوا معرفة كيفية ضبط هذه العملية بدقة للحصول على أفضل النتائج دون إتلاف الجزء، وما إذا كانت القوة الداخلية للمعدن ستصمد أمام عملية التلميع.

بدأ الفريق باستخدام عينات معدنية (coupons)، وهي عبارة عن كتل صغيرة تحتوي على ثقب مستقيم، تم تصنيعها باستخدام الليزر لصهر المسحوق المعدني. ثم أخضعوا هذه الكتل للمعجون الكاشط، مع تغيير ثلاثة عوامل رئيسية: سماكة المعجون، وعدد مرات دفع المعجون عبر الثقب، وحجم حبيبات الرمل. واختبروا تركيزات مختلفة من المعجون الكاشط، تتراوح من الخليط الخفيف إلى الخليط السميك جداً، وقاموا بتشغيل العملية ما بين بضع تمريرات وصولاً إلى ثمانين تمريرة. كما قارنوا بين الأجزاء الخارجة مباشرة من آلة التصنيع والأجزاء التي تعرضت للتسخين في فرن لتغيير بنيتها الداخلية، وهي خطوة تُتخذ عادةً لجعل المعدن أقوى.

كانت النتائج مذهلة؛ فقد كانت عملية التدفق الكاشف فعالة للغاية في تنظيف السطح. وفي أفضل الحالات، أزالت العملية جميع النقاط المعدنية غير المنصهرة التي جعلت السطح خشناً، مما قلل خشونة جدران القناة بنسبة 98%. هذا التحول حوّل السطح المتعرج وغير المستوي إلى سطح ناعم بقدر نعومة أنبوب معدني مصقول تقليدياً. ومع ذلك، وجد الباحثون أن مجرد تشغيل العملية لفترة أطول لم يكن دائماً هو الأفضل؛ فإذا كان المعجون خفيفاً جداً، فسيطور السطح في النهاية ملمساً مموجاً أو مجعداً مع استمرار العملية، مما يجعل السطح أكثر خشونة مرة أخرى. وكان مفتاح النجاح هو استخدام معجون سميك ومركز؛ فعندما يكون المعجون سميكاً بما يكفي، يستمر السطح في النعومة مع كل تمريرة، ووجد الباحثون أن تشغيل العملية ثمانين مرة بهذا المعجون السميك أنتج أنعم وأكثر تماسكاً في التشطيب النهائي.

كما كان لنوع حبيبات الرمل المستخدمة أهمية أيضاً، ولكن ليس بالطريقة التي قد يتوقعها المرء. فالحبيبات الخشنة تزيل المواد بسرعة أكبر، وهو أمر مفيد إذا كنت بحاجة إلى إزالة كمية كبيرة من المعدن بسرعة، إلا أن هذه الحبيبات الكبيرة تترك خدوشاً أعمق على السطح. أما الحبيبات الناعمة فتستغرق وقتاً أطول لتنعيم السطح، لكنها تترك تشطيباً أنظف بكثير مع علامات أقل عمقاً. وأظهرت الدراسة أنه بينما يمكن للحبيبات الخشنة إنجاز المهمة في تمريرات أقل، فإن الحبيبات الناعمة هي الأفضل لتحقيق تشطيب عالي الجودة دون إزالة الكثير من الأبعاد الأصلية للجزء. وهذا أمر بالغ الأهمية، لأنه إذا أصبح القناة واسعة جداً، فقد يغير ذلك كيفية تدفق سائل التبريد، مما يفقد التصميم غرضه الأساسي.

ولعل الأهم من ذلك هو أن الباحثين تحققوا مما إذا كان هذا التلميع العنيف قد ألحق ضرراً بالمعدن الموجود تحت السطح. فقد قاموا بقياس صلابة المعدن عند أعماق مختلفة تحت السطح، ووجدوا أن العملية لم تضعف المادة؛ إذ ظلت البنية الداخلية للمعدن سليمة، ولم تتغير الصلابة بشكل ملحواد حتى بعد ثمانين تمريرة. وهذا يعني أن الجزء ليس فقط أكثر نعومة من الخارج، بل هو بنفس القوة من الداخل أيضاً. كما اختبروا كيفية سلوك الأسطح المصقولة عند احتكاكها بمادة أخرى، وهو اختبار للبري والاحتكاك. وأظهرت الأجزاء التي تم صقلها بالمعجون السميك مع عدد كبير من التمريرات أدنى مستويات الاحتكاك، مما يعني أنها ستنزلق مقابل الأسطح الأخرى بسهولة أكبر وستستهلك بشكل أقل بمرور الوقت.

كما بحثت الدراسة فيما يحدث عندما يتم تسخين المعدن قبل التلميع. لقد غيرت المعالجة الحرارية خصائص المعدن، مما جعله أكثر ليونة قليلاً، لكن عملية التلميع عملت بشكل جيد على الأجزاء المعالجة حرارياً تماماً كما عملت على الأجزاء الخام. وفي الواقع، انتهى الأمر بالأجزاء المعالجة حرارياً بامتلاك سطح أنعم قليلاً بعد التلميع مقارم بالأجزاء غير المعالجة. وهذا يشير إلى أن ترتيب العمليات — سواء يتم تسخين المعدن أولاً أو صقله أولاً — يمكن تعديله بناءً على الاحتياجات المحددة للجزء دون فقدان فوائد عملية التنعيم.

من خلال الموازنة الدقيقة بين سماكة معجون التلميع، وحجم الحبيبات الكاشطة، وعدد مرات دفع المعجون عبر القناة، يمكن للمهندسين الآن تنعيم القنوات المعدنية المعقدة من الداخل بشكل موثوق. تؤكد هذه الأبحاث أن التشغيل بالتدفق الكاشف ليس مجرد وسيلة لجعل السطح يبدو أفضل، بل هو وسيلة لضمان أداء الجزء لوظيفته بشكل صحيح. وبالنسبة للصناعات التي تعتمد على أنظمة التبريد المعقدة هذه، فإن القدرة على تنعيم داخل القناة دون إتلاف المعدن أو تغيير حجمه تفتح الباب أمام آلات أكثر كفاءة، وأطول عمراً، وأعلى أداءً. إن هذا العمل يثبت أنه مع الإعدادات الصحيحة، يمكن لهذه التقنية تحويل قناة مطبوعة ثلاثية الأبعاد خشنة إلى مكون دقيق جاهز لأكثر التطبيقات تطلباً.