تعديل القلوب السيراميكية بكربيد البورون

تباين الخواص بين طبقات قلوب الصب السيراميكية

يعتبر القلب الخزفي هو المفتاح لتصنيع الشفرات المجوفة للتوربينات الهوائية. يتم ترك قنوات التبريد المعقدة داخل الشفرة خلفها من خلال قلب السيراميك "الذي يشغل المساحة" أثناء الصب ثم إزالته بمحلول قلوي. ويجب أن تلبي في نفس الوقت الاستقرار الهيكلي عند درجة الحرارة العالية، ودقة الأبعاد، والخمول الكيميائي للسبائك المنصهرة ذات درجة الحرارة العالية.

يتم تشكيل النوى الخزفية التقليدية عن طريق الصب الساخن أو الصب المنزلق، وهو مناسب للدفعات الكبيرة من الهياكل البسيطة. بمجرد مواجهة التجاويف الداخلية المعقدة وتطوير دفعات صغيرة، تكون تكلفة القالب مرتفعة والدورة طويلة. لذلك، أصبحت الطباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك المعالجة ضوئيًا بالإسقاط السطحي (VPP) بديلاً مثاليًا: فهي خالية من العفن، وتتميز بدقة عالية، ويمكن أن تشكل هياكل معقدة في قطعة واحدة. يوفر هذا أيضًا فرصة للطابعات الخزفية ثلاثية الأبعاد لدخول المجال المتخصص لقلب السيراميك الفضائي.

ومع ذلك، فإن التصلب طبقة تلو الأخرى يحمل بطبيعته جين "عيوب الطبقات البينية". إن قلب السيراميك المطبوع عبارة عن هيكل مكدس متعدد الطبقات، مما يترك حتماً فجوات في الواجهة وفصل الجسيمات وإثراء الراتنج المحلي بين الطبقات. بعد التلبيد، يُظهر تباينًا واضحًا في القوة والانكماش - وهو أمر قاتل بالنسبة للقلوب التي "يجب حملها في جميع الاتجاهات".

إضافة 0.8% كربيد بورون لمقاومة العيوب بين الطبقات

إن فكرة حل المشكلة ليست معقدة: فبدلاً من العمل الجاد لإزالة العيوب بين الطبقات أثناء الطباعة، من الأفضل إضافة مادة "تتوسع أثناء التلبيد" إلى الملاط حتى تتمكن من ملء الفجوات بشكل فعال أثناء مرحلة المعالجة الحرارية. B₄C هو بالضبط هذا النوع من الشخصية.

أثناء عملية التلبيد، تتأكسد جزيئات B₄C في الموقع لتكوين B₂O₃، مصحوبة بتوسع في الحجم بأكثر من 200%: يدفع التمدد جزيئات المصفوفة المحيطة إلى الانتقال إلى فجوات الطبقة البينية، ويشكل B₂O₃ مرحلة زجاجية Si-O-B (طور سائل) عند درجة حرارة التلبيد، مما يؤدي إلى سد واجهة الطبقة البينية. يتم لحام ما يعادل "فجوات التراص طبقة تلو الأخرى" في الموقع أثناء التلبيد دون الحاجة إلى تغيير عملية الطباعة نفسها.

انكماش أكثر تجانسًا على ثلاثة محاور: من 2.3% إلى 0.6%

البيانات تتحدث عن مجلدات. يبلغ انكماش التلبيد للعينة غير المنشورة في المحاور الثلاثة (X/Y/Z) حوالي 2.31% و1.94% و1.96% على التوالي، مع وجود اختلافات واضحة في الاتجاهات؛ بعد دمج 0.8٪ بالوزن B₄C، ينخفض ​​الانكماش ثلاثي المحاور في نفس الوقت إلى 0.64٪ و0.61٪ و0.62٪، بنسب متساوية تقريبًا.

ويؤكد مورفولوجيا الكسر أيضًا هذه النقطة: فالجزيئات الموجودة في المقطع العرضي للعينة غير المنشورة فضفاضة، والمسام غير منتظمة، ويمكن تحديد المنطقة الانتقالية بين الطبقات بوضوح؛ تختفي واجهة الطبقة البينية للعينة بنسبة 0.8٪ بالوزن، ويتم دمج الجزيئات بشكل مستمر، ولم يعد من الممكن التعرف على واجهة الطبقة البينية. يشير كلا الدليلين، معدل الانكماش والتشكل، إلى نفس الاستنتاج، وهو أن عيوب الطبقات البينية يتم قمعها بشكل فعال.

تجانس المقاومة الاتجاهية: من 0.57 إلى 0.93

"الاتساق الاتجاهي" للقوة هو المؤشر الأساسي للخدمة الأساسية. تستخدم الدراسة نسبة قوة الانحناء الرأسي إلى الأفقي (σV/σH) للقياس الكمي: في درجة حرارة الغرفة، تزيد هذه النسبة من 0.57 للعينة غير المنشورة إلى 0.89 للعينة التي تبلغ نسبة وزنها 0.8%؛ عند درجة حرارة عالية تبلغ 1540 درجة مئوية، تزداد من 0.63 إلى 0.93، مما يتوافق مع القوة الأفقية والرأسية البالغة 20.4 ميجا باسكال و19.0 ميجا باسكال على التوالي، ولم تعد تتأثر تقريبًا باتجاه الطباعة.

"التوازن العكسي" المثير للاهتمام هو: بعد التطعيم بـ B₄C، تنخفض الكثافة الظاهرية قليلاً من 1.473 جم/سم3 إلى 1.420 جم/سم3، وتزداد المسامية الظاهرة من 30.3% إلى 32.6%. يعد انخفاض الكثافة وزيادة المسامية أمرًا سيئًا للأجزاء الهيكلية، ولكنه جيد لقلب السيراميك - فالمسامية الأعلى من 30% تساعد على اختراق السائل القلوي وتفاعله أثناء إزالة القلب لاحقًا.

التوافق الكيميائي مع سبيكة النيكل GH3030

يجب أن "يحتفظ اللب الخزفي في النهاية بالواجهة" في ظل ظروف صب سبائك النيكل ذات درجة الحرارة العالية. استخدمت الدراسة سبيكة GH3030 لصب الاستثمار الفعلي. أظهر توزيع عناصر EDS أن Si وO تم تركيزهما على جانب القلب، وتم تركيز Ni وCr على جانب السبيكة. وكانت الواجهة واضحة ومستمرة؛ لم يتم العثور على طبقة تفاعل واضحة أو مرحلة جديدة في مسح خط EDS وأطياف XRD، مما يشير إلى أن نظام 0.8٪ بالوزن B₄C يتمتع بتوافق كيميائي جيد في ظل ظروف الصب القائمة على النيكل عند 1540 درجة مئوية.

كما تحققت عينة التروس من جدوى المشروع: يتمتع قلب السيراميك الملبد على شكل ترس بهيكل كامل، ولا يوجد تشقق أو انهيار في الجدار الرقيق، وانحراف خطي يبلغ حوالي 0.3%، ودقة أبعاد يمكن التحكم فيها.

ثلاث دلالات ختامية

العودة إلى تطوير النوى الخزفية. يبدو أن التغيير الناتج عن إضافة 0.8% بالوزن من B₄C لا يمثل سوى بضع نقاط مئوية، ولكن وراءه في الواقع تغيير في التفكير. قسّمها إلى ثلاث نقاط:

أولاً، لا يقتصر تباين الطبقات البينية بالضرورة على "جانب العملية". إن صب طبقة المعالجة بالضوء بطبيعته له اختلافات بين الطبقات. في الماضي، كان يتم التحكم فيه في الغالب عن طريق ضبط معلمات العملية بشكل متكرر. تنقل هذه الدراسة حل المشكلة للأمام إلى "نهاية الملاط" - فقط تغيير الصيغة، وترك المعدات والعملية دون تغيير، ويتقارب الانكماش ثلاثي المحاور من اختلاف حوالي 3 مرات إلى حوالي 0.03، وينخفض ​​أيضًا مؤشر تباين القوة بشكل ملحوظ. عندما تصل العملية إلى عنق الزجاجة، قد يؤدي تغيير متغيرات الصيغة إلى توفير جهد أكبر من الاستمرار في ضبط العملية.

ثانيًا، يمكن لكمية صغيرة من المادة المشابهة أن تكون بمثابة "عامل جسر بين الطبقات". يشكل B₂O₃ الناتج عن أكسدة B₄C مرحلة زجاجية Si-O-B عند درجة حرارة التلبيد، مما يؤدي إلى سد واجهات الطبقات البينية وإزالة حدود الطبقات البينية. ويؤكد مورفولوجيا الكسر هذا أيضًا. وهذا يدل على أن المنشطات لا تتعلق فقط بتعديل الكثافة أو اللون. إذا اخترت النظام الصحيح، فيمكنه إصلاح نقاط الضعف المجهرية التي خلفتها الطباعة طبقة تلو الأخرى مباشرة.

ثالثًا، يعتمد تقييم النوى الخزفية المعقدة على "درجة الخواص" بدلاً من القيمة المطلقة لاتجاه واحد. إن أكثر ما يلفت النظر في الورقة ليس مدى ارتفاع القوة في اتجاه معين، ولكن أن معدل الانكماش وتباين القوة في الاتجاهات الثلاثة يتقاربان بشكل ملحوظ. بالنسبة لقلوب الشفرات ذات التجاويف الداخلية المعقدة، تعني الاتجاهات المتسقة أن التشوه بالقولبة والتلبيد يمكن التنبؤ به بشكل أكبر.

الأوراق المرجعية:

يانغ إتش، يان دي، لي إس، لو كيه، نيو إس، لي إكس، شو