Effect of Metal Transfer Mode on Local Chemical Inhomogeneity in Dual-Wire Electron Beam Additive Manufacturing of Nitinol

ملخص تقني: تأثير نمط انتقال المعدن على عدم التجانس الكيميائي الموضعي في التصنيع الإضافي للنيتينول باستخدام سلك مزدوج عبر الحزمة الإلكترونية

بيان المشكلة
تواجه عملية إنتاج سبائك ذاكرة الشكل من النيتينول (NiTi) عبر التصنيع الإضافي بالحزمة الإلكترونية ذات السلك المزدوج (EBAM) تحدياً حرجاً يتمثل في تشكل عدم تجانس كيميائي موضعي. وبينما يتم التحكم في النسبة الستوكيومترية للنيكل والتيتانيوم عبر معدلات تغذية الأسلاك، فإن التركيب الكيميائي الفعلي للمادة المتصلبة يتأثر بشدة بنمط انتقال المعدن إلى حوض المنصهر. وعندما تدخل المكونات إلى الحوض بشكل غير متزامن، تنشأ مناطق انتقالية غنية بالنيكل أو التيتانيوم. وتؤدي هذه الانحرافات المحلية عن النسب الستوومترية إلى تعزيز تكوين أطوار بين معدنية هشة (Ti₂Ni، TiNi₃)، مما يقلل من المطيلية ويثبط خصائص ذاكرة الشكل الوظيفية. وقد أكدت الدراسات السابقة جدوى تقنية EBAM لإنتاج النيتينول، لكنها لم تبحث بشكل منهجي في كيفية تأثير التكوين الهندسي لتغذية الأسلاك المتباينة على هيدروديناميكا الخلط وعدم التجانس الكيميائي الناتج.

المنهجية
استخدمت الدراسة نهجاً متعدد الأوجه يجمع بين التجارب الفيزيائية، والتصوير بالفيديو عالي السرعة، ونمذجة طريقة العناصر الملساء (SPH) العددية لاستقصاء تأثير زاوية تقارب الأسلاك ($\beta$) على انتقال المعدن.

• الإعداد التجريبي: أُجريت التجارب باستخدام نظام حزمة إلكترونية بقدرة 15 كيلوواط داخل غرفة مفرغة من الهواء. تم تغذية سلكين بقطر 1 مم (النيكل NP2 والتيتانيوم VT1-00sv) في ركيزة من النيتينول. تم اختبار ثلاثة تكوينات هندسية: التغذية أحادية الجانب بزوايا تقارب $\beta = 30^\circ$ و $\beta = 15^\circ$، والتغذية المتوازية بزاوية $\beta = 0^\circ$.
• نمذجة SPH: تم تطوير نموذج حوسبي لمحاكاة عمليات انتقال الحرارة والكتلة، مع مراعاة التوتر السطحي، والحمل الحراري الشعيري (تأثير مارانغوني)، والضغط البخاري. تعامل النموذج مع المنصهر كسائل نيوتني غير قابل للانضغاط وتتبع جزيئات منفصلة تمثل الركيزة والمادتين السلكيتين. كما تم حساب معامل التركيب الكيميائي ($\gamma$)، المعرف كنسبة تدفق كتلة النيكل إلى التيتانيوم، لتحديد عدم التجانس الموضعي.
• تحليل التدفق البصري: استُخدم التصوير بالفيديو عالي السرعة (2000 إطار في الثانية) للتحقق من المحاكاة. طُبقت خوارزمية التدفق البصري (طريقة فارنيك) على التسجيلات لحساب مجالات السرعة الحملية، مما سمح بحساب رقم بيكليهت ($\text{Péclet number}$) ومقارنة زمن التجانس الحملي ($\tau_{conv}$) مقابل عمر الطور السائل.
• التحقق الميتالورجي: تم تحليل العينات المترسبة عبر المجهر الضوئي واختبار الصلادة (HV5) عبر المقطع العرضي للجدار لربط السمات البنيوية وتغيرات الصلادة بالتركيب الكيميائي.

النتائج الرئيسية
أرست الدراسة ارتباطاً مباشراً بين زاوية تقارب الأسلاك ($\beta$) ونمط انتقال المعدن، والذي يحدد درجة التجانس الكيميائي:

1. أنماط الانتقال:

   • $\beta = 30^\circ$: تسبب الاختلاف في معاملات التوتر السطحي بين النيكل السائل والتيتانيوم في انتقال سلك النيكل عبر قطرات غير مستقرة، بينما حافظ التيتانيوم على جسر مستقر. أدى هذا الدخول غير المتزامن إلى حدوث نقص دوري موضعي في النيكل.
   • $\beta = 15^\circ$: تشكل جسران انتقال منفصلان. حدث الخلط فقط داخل حوض المنصهر مدفوعاً بنمط انحراف الحزمة الإلكترونية. ورغم أن هذا النمط أكثر تجانساً من حالة $30^\circ$، إلا أن النظام ظل حساساً لمعايير انحراف الحزمة.
   • $\beta = 0^\circ$ (المتوازي): أنشأت الأسلاك جسراً واحداً مستقراً للانتقال. والأهم من ذلك، حدث ترطيب نشط وخلط أولي للمكونات قبل دخولها إلى حوض المنصهر الرئيسي.

2. التجانس الكمي:

   • انخفض متوسط انحراف معامل التركيب الكيميائي $\gamma$ عن القيمة المستهدفة بشكل ملحوظ مع تناقص $\beta$: من 3.6% عند $30^\circ$، إلى 2.2% عند $15^\circ$، وصولاً إلى 0.4% عند $0^\circ$.
   • ازداد هامش الوقت للتجانس الحملي (الفرق بين عمر الطور السائل وزمن التجانس) من حوالي 7% عند $30^\circ$ إلى ~67% عند $0^\circ$.
   • ظلت أرقام بيكليهت مرتفعة (حوالي $10^4$) في جميع التكوينات، مما يؤكد أن النقل الحملي يهيمن على الانتشار، مما يجعل هيدروديناميكا حوض المنصهر المحدد الأساسي للتجانس.

3. النتائج البنيوية والميكانيكية:

   • أظهرت العينات المنتجة عند $\beta = 30^\circ$ مناطق متميزة من عدم التجانس البنيوي، بما في ذلك أطوار $TiNi_3$ يوتكتيكية وتفاوت في الصلادة (252–449 HV5).
   • أظهرت العينات المنتجة عند $\beta = 0^\circ$ مصفوفة $NiTi$ منتظمة مع توزيع متجانس للصلادة في الاتجاه المستعرض (358–385 HV5). أما تغيرات الصلادة الطولية (330–388 HV5) فقد عُزيت إلى التاريخ الحراري للترسيب طبقة تلو أخرى وليس إلى الانعزال الكيميائي.

الأهمية والادعاءات
تزعم الورقة أن نمط انتقال المعدن هو العامل المحدد للتجانس الكيميائي في عملية EBAM مزدوجة الأسلاك للنيتينول. وتتمثل المساهمة الرئيسية في تحديد زاوية تقارب الفوهة ($\beta$) كمعامل تحكم يتيح الانتقال المتعمد من انتقال القطرات غير المتزامن إلى انتقال الجسر المستقر والمخلوط مسبقاً.

من خلال اعتماد التغذية المتوازية للأسلاك ($\beta = 0^\circ$)، تثبت الدراسة أنه يمكن تحقيق خلط أولي للمعادن المتباينة قبل دخول حوض المنصهر، مما يغير آلية الخلط بشكل جذري. يساهم هذا النهج بفعالية في كبح تشكل الانحرافات الستوكمترية الموضعية والأطوار البينية الهشة المرتبطة بها. وتؤكد الأبحاث فاعلية استخدام نمذجة SPH جنباً إلى جنب مع تحليل التدفق البصري كأداة فعالة للتنبؤ بأنماط الانتقال وتحسين هندسة تغذية الأسلاك في مرحلة التصميم، مما يقلل من الحاجة إلى تجارب فيزيائية مكثفة قائمة على الخطأ والصواب. وتقدم النتائج حلاً تكنولوجياً محدداً لإنتاج مكونات نيتينول عالية الجودة وموثوقة وظيفياً.