پژوهشگران راهی برای چاپ سه‌بعدی یکی از سخت‌ترین مواد مهندسی روی زمین یافتند

به گزارش گروه ترجمه رکنا، به نقل از سای تک دیلی، کاربید تنگستن-کبالت (WC–Co) پشت بسیاری از لبه‌های تیز و بادوام ابزارهایی قرار دارد که فلز، بتن و سنگ را برش می‌دهند. سختی برجسته این ماده در عین حال بزرگ‌ترین چالش تولید آن نیز محسوب می‌شود. هنگامی که این ماده شکل می‌گیرد، در برابر شکل‌دهی آن‌چنان مقاومت می‌کند که فرآیند تولید می‌تواند در مقایسه با میزان محصول قابل استفاده نهایی، کند، پرهزینه و همراه با اتلاف زیاد باشد.

این مسئله از آن جهت اهمیت دارد که کاربیدهای سمانته WC–Co در هر جایی که سایش و بارهای سنگین به‌سرعت فلزات معمولی را از بین می‌برند، از جمله ابزارهای برشی و ساختمانی، مورد استفاده قرار می‌گیرند. امروزه تولیدکنندگان معمولاً به متالورژی پودر روی می‌آورند؛ روشی که در آن پودرهای WC و Co تحت فشار و دمای بالا فشرده و سپس زینتر می‌شوند تا یک قطعه کاربید سمانته جامد ایجاد شود.

نقطه ضعف این روش، بهره‌وری آن است. متالورژی پودر می‌تواند سختی و دوام بسیار خوبی فراهم کند، اما اغلب بیش از میزان مورد نیاز قطعه نهایی از مواد گران‌قیمت مصرف می‌کند و بازده تولید کاهش می‌یابد. این مطالعه مسیر متفاوتی را بررسی می‌کند که با ترکیب ساخت افزایشی (AM، که عموماً با نام چاپ سه‌بعدی شناخته می‌شود) و تابش لیزری سیم داغ، هدف دارد کاربید سمانته را تنها در محل مورد نیاز قرار دهد، در حالی که عملکرد حفظ شده و اتلاف و هزینه کاهش یابد.

این مطالعه در نشریه International Journal of Refractory Metals and Hard Materials منتشر شده است.

ساخت افزایشی با تابش لیزری سیم داغ

به‌جای آنکه کاربید سمانته به‌عنوان یک بلوک در نظر گرفته شود که باید تراش داده شود، پژوهشگران بررسی کردند آیا می‌توان آن را به‌صورت انتخابی‌تر با استفاده از AM ایجاد کرد. ابزار کلیدی آن‌ها تابش لیزری سیم داغ (که با نام جوشکاری لیزری سیم داغ نیز شناخته می‌شود) است؛ روشی که یک پرتو لیزر را با یک سیم پرکننده پیش‌گرم‌شده ترکیب می‌کند. پیش‌گرم کردن سیم به افزایش نرخ رسوب‌دهی (میزان افزوده شدن فلز پرکننده) کمک کرده و با کاهش انرژی مورد نیاز از سوی لیزر در حین رسوب‌دهی، کارایی فرآیند را بهبود می‌بخشد.

آن‌ها دو روش برای اجرای این ایده را ارزیابی کردند. در یک رویکرد، میله کاربید سمانته در جلوی ساخت حرکت می‌کند در حالی که لیزر به بالای میله تابانده می‌شود. در روش دیگر، لیزر پیشرو است و ناحیه بین پایین میله کاربید سمانته و ماده پایه (آهن) را هدف قرار می‌دهد. در هر دو حالت، هدف نرم کردن فلزات به‌جای ذوب کامل آن‌هاست؛ انتخابی که با هدف کمک به شکل‌گیری کاربید سمانته و در عین حال محدود کردن شرایط حرارتی شدید که می‌تواند به مواد سخت و شکننده در طول فرآوری آسیب بزند، انجام شده است.

کیتا ماروموتو، نویسنده مسئول مقاله و استادیار دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم و مهندسی پیشرفته دانشگاه هیروشیما، گفت: «کاربیدهای سمانته مواد فوق‌العاده سختی هستند که برای لبه ابزارهای برشی و کاربردهای مشابه استفاده می‌شوند، اما از مواد اولیه بسیار گران‌قیمتی مانند تنگستن و کبالت ساخته می‌شوند، بنابراین کاهش مصرف مواد بسیار مطلوب است. با استفاده از ساخت افزایشی، می‌توان کاربید سمانته را تنها در محل مورد نیاز رسوب داد و بدین ترتیب مصرف مواد را کاهش داد.»

دستیابی به کاربیدهای بدون عیب با کیفیت صنعتی

نتایج نشان داد این روش در حفظ سختی و یکپارچگی مکانیکی کاربیدهای سمانته WC–Co که به‌صورت متداول تولید می‌شوند، مؤثر است و ماده پایه‌ای با سختی بیش از ۱۴۰۰ HV (واحدی نشان‌دهنده مقاومت در برابر نفوذ) بدون ایجاد هرگونه عیب یا تجزیه به دست آمد.

موادی با این سطح از سختی در میان مقاوم‌ترین مواد مورد استفاده در صنعت قرار می‌گیرند و تنها اندکی پایین‌تر از مواد فوق‌سختی همچون یاقوت و الماس هستند. تولید قالب‌های کاربید سمانته بدون عیب، که هدف اصلی این مطالعه بوده است، امکان‌پذیر به نظر می‌رسد، هرچند برخی نتایج متفاوت بوده‌اند.

برای نمونه، روش میله‌پیشرو ظاهراً به تجزیه WC در بخش بالایی ساخت منجر می‌شود که به ایجاد عیوب در محصول نهایی می‌انجامد. روش لیزر پیشرو نیز در حفظ سختی لازم برای موفقیت با چالش‌هایی مواجه بود. با افزودن یک لایه میانی مبتنی بر آلیاژ نیکل و همچنین حفظ و پایش دماها (بالاتر از نقطه ذوب کبالت و پایین‌تر از دمای رشد دانه)، کاربید سمانته‌ای از طریق AM تولید شد که سختی ماده را قربانی نکرد.

جهت‌گیری‌های آینده برای این فناوری

نتایج امیدوارکننده این پژوهش سکویی برای بهبود بیشتر این کار فراهم می‌کند. پژوهشگران مایل‌اند پیشرفت‌های بعدی به مدیریت مسئله ترک‌خوردگی و همچنین ایجاد اشکال پیچیده‌تر منجر شود.

ماروموتو گفت: «رویکرد شکل‌دهی مواد فلزی از طریق نرم کردن آن‌ها به‌جای ذوب کامل، نوآورانه است و این ظرفیت را دارد که نه‌تنها برای کاربیدهای سمانته که تمرکز این مطالعه بودند، بلکه برای سایر مواد نیز به کار گرفته شود.»

در نهایت، ساخت ابزارهای برشی، بررسی استفاده از مواد دیگر و پژوهش‌های بیشتر درباره چگونگی بهبود دوام، از اولویت‌های اصلی آینده این تحقیق محسوب می‌شود.

مرجع: «تأثیر روش تابش لیزری سیم داغ و یک لایه میانی مبتنی بر آلیاژ نیکل بر خواص مکانیکی و ریزساختار در ساخت افزایشی کاربید سمانته WC–Co» نوشته کیتا ماروموتو، تاکاشی آبه، کیگو ناگاموری، هیروشی ایچیکاوا، آکیو نیشی‌یاما و موتومیچی یاماموتو، ۱۱ دسامبر ۲۰۲۵، International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.