چالش‌ها و فرصت‌های آلیاژهای مس در فناوری تولید افزایشی (AM)

با وجود پیشرفت‌های اخیر در فرایندهای تولید افزایشی (AM) آلیاژها و کامپوزیت‌های پایه‌مس، پیاده‌سازی صنعتی مس در فناوری AM نسبت به سایر فلزات مهندسی مانند فولاد، نیکل، آلومینیوم و آلیاژهای تیتانیوم محدودتر بوده است. اگرچه مطالعات صنعتی اخیر در این زمینه انجام شده است، بیشتر پژوهش‌های موجود در ادبیات علمی بر روی امکان‌سنجی فرایند، بهینه‌سازی پارامترهای فرایندی و بررسی کلی خواص قطعات ساخته‌شده با AM تمرکز داشته‌اند.

پیشرفت کندتر در AM آلیاژهای مس می‌تواند ناشی از چالش‌های فرایندی، نیازهای خاص ماشین‌های AM (برای مثال سیستم‌های L-PBF مجهز به لیزر سبز)، دشواری در بهینه‌سازی پارامترهای فرایند و نبود پشتیبانی کافی برای مواد اولیه مناسب AM باشد. این تأخیر نشان می‌دهد که تحقیقات کاربردی بیشتری برای تسهیل پذیرش آلیاژهای مسی تولیدشده با AM در صنایع موردنیاز است. بر اساس مرور حاضر از متون علمی، شکاف‌های زیر برای هر نوع آلیاژ مسی در زمینه AM شناسایی شده‌اند که باید در پژوهش‌های آینده به آن‌ها پرداخته شود.

فهرست مطالب

آلیاژهای مس-کروم

پژوهش‌های آینده باید رفتار خوردگی آلیاژهای مس-کروم تولیدشده به روش افزودنی را به‌صورت نظام‌مند بررسی کنند. همچنین عملکرد در شرایط کاری آلیاژهای مس-کروم ساخته‌شده با روش EBM باید به‌طور جامع مطالعه شود تا پتانسیل کاربرد صنعتی آن‌ها مشخص گردد.

آلیاژهای مس-نیکل

مطابق با مطالعات فعلی، امکان ساخت آلیاژهای Cu-Ni در چند پژوهش بررسی شده است که نشان‌دهنده‌ی خواص مکانیکی ناهمسانگرد، ناهمگنی‌های ریزساختاری و ساختار نسبتاً متخلخل در قطعات تولیدشده است. برای رفع این مشکلات، پژوهش‌های آینده باید بر بهینه‌سازی ترکیب مواد اولیه و پارامترهای فرایندی بر اساس کاربرد نهایی تمرکز کنند. همچنین بررسی جامع عملکرد در سرویس و رفتار خوردگی آلیاژهای Cu-Ni تولیدشده با AM ضروری است.

برنزهای قلع‌دار

در حالی‌که اغلب مطالعات موجود درباره‌ی برنزهای قلع‌دار بر روش L-PBF متمرکز بوده‌اند، بررسی امکان‌پذیری استفاده از روش‌های arc-DED یا WAAM، همراه با بهینه‌سازی فرایند، می‌تواند فرصت جدیدی برای تولید برنزهای قلع‌دار در مقیاس بزرگ و مناسب برای کاربردهای دریایی فراهم کند. بنابراین پژوهش‌های بیشتری درباره‌ی ساخت با WAAM باید انجام شود تا مزایا و محدودیت‌های این روش در تولید برنزهای قلع‌دار مشخص شود.

آلیاژهای NAB

برای آلیاژهای NAB لازم است عملکرد خوردگی در آب دریا در شرایط چاپ‌شده و عملیات حرارتی‌شده به‌طور کامل بررسی شود و با خواص خوردگی آلیاژهای ساخته‌شده به روش‌های متداول مقایسه گردد. از آنجا که آلیاژهای NAB به‌طور گسترده در صنعت دریایی استفاده می‌شوند، این مطالعات می‌توانند کاربردهای عملی قابل‌توجهی داشته باشند.

کامپوزیت‌های تقویت‌شده مسی

از آنجا که بیشتر پژوهش‌های موجود در این زمینه در مرحله‌ی امکان‌سنجی هستند، پتانسیل قابل‌توجهی برای مطالعات آینده وجود دارد که بر بهینه‌سازی پارامترهای فرایند برای تولید افزایشی مواد مرکب فلزی (MMCs) تمرکز کنند. پس از آن، بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی حاصل می‌تواند درک بهتری از رفتار این مواد فراهم کرده و راه را برای کاربردهای صنعتی جدید باز کند.

یکی دیگر از محدودیت‌های موجود در ادبیات، استفاده‌ی اندک از روش BJT در فرایند ساخت آلیاژهای مسی است. با توجه به چالش‌های فرایند AM در مواد پایه‌مس، BJT می‌تواند جایگزینی مناسب برای روش‌های افزایشی مبتنی بر لیزر مانند L-PBF و L-DED باشد. از آن‌جایی که BJT شامل ذوب و انجماد نیست، می‌تواند مشکلات ذاتی AM در آلیاژهای مس، مانند جذب پایین لیزر، تمایل زیاد به اکسید شدن و رسانایی حرارتی بالا را حذف کند. اگرچه کمبود پژوهش‌های گسترده باعث وجود ابهامات زیاد در قابلیت فرایندپذیری و خواص نهایی آلیاژهای مسی فرآوری‌شده با BJT می‌شود، انتظار می‌رود که آینده‌ی AM در آلیاژهای مسی به سمت استفاده از روش BJT حرکت کند. بنابراین، بررسی چالش‌های احتمالی و توسعه مجموعه‌ای بهینه از متغیرهای فرایندی و عملیات پس از چاپ برای BJT آلیاژهای مسی ضروری است.

نتیجه گیری و کلام آخر

خلاصه و نتیجه‌گیری در این مقاله، مروری جامع بر فناوری‌های پیشرفته‌ی ساخت افزودنی (AM) در مورد چندین نوع صنعتی از آلیاژهای مس ارائه شده است. این آلیاژها شامل برنزهای قلع‌دار، برنزهای نیکل-آلومینیوم، آلیاژهای Cu-Cr و Cu-Ni، و همچنین کامپوزیت‌های زمینه‌فلزی بر پایه‌ی مس هستند که با استفاده از روش‌های AM تولید شده‌اند. این مرور، روش‌های مختلف ساخت افزودنی، پارامترهای فرآیند، ریزساختار و خواص فیزیکی و مکانیکی آلیاژهای تولیدشده را بررسی کرده و دیدگاه‌های ارزشمندی برای تحقیقات آینده ارائه می‌دهد. نتایج کلیدی به‌شرح زیر است:

چالش‌های فرآیندپذیری: استفاده از روش L-PBF برای مواد بر پایه‌ی مس چالش‌هایی دارد، از جمله: ۱.بازتاب زیاد لیزر که ممکن است به آینه‌ی اپتیکی آسیب بزند، ۲. رسانایی حرارتی بالا که باعث انتقال سریع حرارت و ایجاد تاب‌خوردگی و جدایش لایه‌ها می‌شود، ۳. جذب پایین انرژی لیزر که موجب تخلخل در قطعات چاپ‌شده می‌گردد، ۴. اکسیداسیون سریع پودر مس در حین فرآیند که سبب ایجاد حفرات گازی می‌شود. راهکارهای پیشنهادی عبارت‌اند از استفاده از لیزر پرتوان، پیش‌گرمایش بستر پودر، لیزر با طول‌موج کوتاه‌تر، بستر با رسانایی کمتر، و افزودن عناصر آلیاژی یا ذرات کامپوزیتی.
افزودن عناصر آلیاژی: افزودن عناصر به مس خالص رسانایی الکتریکی و حرارتی را کاهش می‌دهد. بنابراین، توسعه‌ی کامپوزیت‌های زمینه‌فلزی مس (MMCs) راهکاری مؤثر برای بهبود فرآیندپذیری در L-PBF است. اغلب مطالعات بر ذرات کربنی تمرکز داشته‌اند، اما باید از گرافیتی شدن در حین فرآیند جلوگیری شود.
آلیاژهای مس-کروم (Cu-Cr): نرخ بالای انجماد در AM از جدایش کروم جلوگیری می‌کند و خواص مکانیکی بهتری نسبت به روش‌های سنتی ایجاد می‌کند. با این حال، عملیات پس‌فرآیند مانند تغییر شکل مکانیکی یا عملیات حرارتی برای بهبود خواص لازم است. به‌ویژه، آلیاژهای Cu-Cr ساخته‌شده به روش AM بهترین خواص را با «پیرسازی مستقیم» نشان می‌دهند، نه با عملیات محلولی-پیرسازی سنتی.
آلیاژهای مس-نیکل (Cu-Ni): نرخ سرمایش بالا در L-PBF باعث مهار تبلور مجدد و تشکیل ساختار شبه‌آمورف (شیشه فلزی) با سختی بالاتر می‌شود. افزایش سرعت اسکن و ضخامت لایه، تخلخل را بیشتر و مقاومت به خوردگی را کمتر می‌کند. در فرآیند L-DED، سرعت زیاد اسکن به دلیل جذب ناکافی انرژی باعث کیفیت پایین‌تر می‌شود. در مقابل، فرآیند WAAM قطعات باکیفیت‌تر و بدون تخلخل تولید می‌کند، اما خواص مکانیکی در جهات مختلف متفاوت است.
برنزهای قلع‌دار (Cu-Sn): ریزساختار مشابه ریختگی دارند ولی به‌دلیل سرمایش سریع‌تر، ساختاری ریزتر حاصل می‌شود. ذوب و بازذوب متوالی سبب تشکیل فازهای ثانویه ε می‌شود که نقش عملیات پیرسازی مصنوعی را دارد. این امر موجب افزایش استحکام و چقرمگی می‌شود، ولی عملیات بازپخت پس از ساخت می‌تواند این ریزساختار ناهمگن را حذف کرده و ضمن افزایش چقرمگی و مقاومت به خوردگی، استحکام را کاهش دهد.
آلیاژهای برنز آلومینیوم-نیکل (NAB): در قطعات ریختگی، چهار فاز بین‌فلزی κ وجود دارد، اما در WAAM، ریزساختار ریزتر شده و برخی فازها حذف می‌شوند. در فرآیندهای پرتوی مانند L-PBF، L-DED و EBM، نرخ سرمایش بالا باعث تشکیل زمینه مارتنزیتی سخت می‌شود. به‌طور کلی، آلیاژهای NAB تولیدشده با AM خواص مکانیکی بهتری دارند، اما ناهمگنی و ساختار ستونی موجب ناهمسانی خواص مکانیکی می‌شود. در مقابل، آلیاژهای NAB ساخته‌شده با EBM ساختاری یکنواخت و تقریباً هم‌محور با خواص کششی همسان دارند. استفاده از ارتعاشات فراصوتی در WAAM یا عملیات حرارتی مناسب می‌تواند این ناهمسانی‌ها را کاهش دهد.