التلبيد المشترك لواجهات المعدن والسيراميك

غالبًا ما تواجه المكونات الرئيسية في مجال الطيران ومعدات أعماق البحار والمعادن وغيرها من المجالات درجات حرارة عالية جدًا، وتآكلًا قويًا، وصدمة حرارية، وأحمالًا دورية في نفس الوقت، ولا تستطيع مادة واحدة التعامل معها على الإطلاق. في هذا الوقت، هناك حاجة إلى مكونات متعددة المواد: يتم استخدام مواد مختلفة في مناطق مختلفة للتعلم من نقاط القوة والضعف لدى بعضها البعض. ولكن كيفية دمج المعدن والسيراميك بشكل كامل كانت دائمًا مشكلة.

ويواجه تصنيع أجهزة تعزيز الشعاع عالية الطاقة، مثل الذوبان التقليدي لأسرة المسحوق، وترسيب الطاقة الموجه، حواجز أساسية في طباعة المواد المحتوية على أشعة معدنية، وهي: نقطة الانصهار للمعادن والخزفيات، وعامل التوسع الحراري تتفاوت تفاوتاً واسعاً، كما أن عملية الانصهار المحلي العالي الطاقة عرضة لفتح الوصلات البينية والإجهاد. كما أن التشارك (التداخل) في نظام الفلزات - البورسلين أكثر صعوبة - إذ أن لكلا المادتين معدل انكماش مختلف، والتفاعل أثناء عملية التداخل قوي بما يكفي لجعل المبنى بأكمله عديم الجدوى.

بحث منشور في Advanced Powder Materials (مارس 2026، DOI: 10.1016/j.apmate.2026.100415) من قبل مختبر الدولة الرئيسي للمساحيق المعدنية بجامعة وسط الجنوب، وجد حلاً منهجيًا: من خلال تصميم تصميم هيكل الواجهة)، جنبًا إلى جنب مع عملية الطباعة ذات الفوهة المزدوجة لتصنيع المواد المضافة بالبثق (MEX)، مما أدى إلى تحضير مادة خالية من العيوب تعتمد على NiFe₂O₄ مكونات متعددة المواد من سبائك السيرميت/CuNi، مع قوة انحناء تصل إلى 367.5 ميجاباسكال - أعلى بنسبة 125% من تلك الموجودة في السيرميت الفردي.

اختيار المواد للأنودات الخاملة

وللدراسة خلفية تطبيقية محددة - معبر الكهرومغناطيسي للألومنيوم. In the process of electrolytic aluminium, the traditional carbon anode will continuously consume and release CO2, while the inert anode will replace carbon materials with ceramics, which can theoretically achieve zero carbon emissions. ومع ذلك، يواجه الأنهار الجليدية مطالبتين متنافستين: فمن ناحية، يُطلب من السيراميك توفير مقاومة عالية لدرجات الحرارة، ومقاومة التآكل، وارتفاع درجة الحرارة، ومن ناحية أخرى، يتعين على الفلزات أن توفر القدرة على الصمود ومقاومة الحرارة.

اختار الباحثون نوعين من المواد: السيرميت المعتمد على NiFe₂O₄ (سيرميت 25، الذي يحتوي على 25% بالوزن من الطور المعدني) لتوفير قوة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل للإطار الخزفي؛ سبيكة CuNi (Cu-20Ni) لتوفير المتانة والتوصيل الكهربائي/الحراري للطور المعدني. من الناحية النظرية، يمكن للجمع بين الاثنين تحقيق التوازن الوظيفي المطلوب لمصعد خامل، لكن المشكلة الحقيقية تكمن في كيفية تحويلهما إلى وحدة متكاملة.

MEX (تصنيع المواد المضافة بالبثق) هو طريق تصنيع مضاف غير مباشر: يتم خلط مسحوق المعدن أو السيراميك مع مادة رابطة بوليمر لتكوين مادة تغذية، يتم صهرها وبثقها من خلال برغي ساخن، وتكديس طبقة تلو الأخرى في جسم أخضر، ثم إزالة الشحوم منها وتكلسها للحصول على الجزء الكثيف النهائي. بالمقارنة مع عمليات الصهر المباشر مثل الليزر أو شعاع الإلكترون، لا تقوم MEX بإذابة المادة عند درجة حرارة الطباعة - وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص للطباعة المشتركة للسيراميك المعدني، مما يؤدي بشكل أساسي إلى تجنب الإجهاد الحراري ومشاكل تفاعل الواجهة في عمليات الشعاع عالية الطاقة.

طباعة بفوهتين: ريولوجيا التغذية والإعدادات

تستخدم الدراسة طابعة MEX مزدوجة الفوهة لقذف مواد التغذية Cermet 25 وCuNi في نفس الوقت. تشترك الخلاصتان في نظام ربط قائم على POM، وتبلغ سعة تحميل المسحوق 52%. أظهرت الاختبارات الريولوجية أن كلا العلفين كان عبارة عن سوائل غير نيوتونية مخففة للقص. يتمتع Cermet 25 بأقوى خاصية ترقق القص عند 190 درجة مئوية (ن = 0.272)، ويتمتع CuNi بأقوى خاصية ترقق القص عند 180 درجة مئوية (ن = 0.277). تعد حساسية درجة حرارة اللزوجة لتغذية CuNi (E = 49.54 كيلو جول/مول) أعلى بكثير من حساسية Cermet 25 (E = 13.52 كيلو جول/مول)، مما يعني أن CuNi يمكنه تحسين أداء الطباعة من خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة. يبلغ قطر الفتيل المبثوق لمادتي التغذية 605.3 ميكرومتر و610.5 ميكرومتر على التوالي، وهو ما يتوافق بشكل كبير مع قطر الفوهة الذي يبلغ 0.6 مم، واستقرار الطباعة جيد.

ثلاثة أبعاد لتصميم الواجهة

يعد تكسير التلبيد المشترك أكبر عائق أمام طباعة المواد المتعددة للسيراميك المعدني. اقترح الباحثون استراتيجية تصميم هيكل واجهة ثلاثية المحاور.

البعد 1: سمك الطبقة المعدنية (استراتيجية LS). تم إعداد ثلاث مجموعات - 0.15 مم (LS-015)، 1 مم (LS-100)، 3 مم (LS-300). كلما زادت سماكة الطبقة المعدنية، زاد ضغط الواجهة الناتج عن عدم التطابق الحراري وأصبح التشقق أكثر خطورة؛ عند تخفيفه إلى 0.15 مم، يمكن لهيكل الطبقة الرقيقة تشتيت الضغط الحراري وتخفيفه بشكل فعال.

البعد الثاني: شكل الواجهة (استراتيجية المراسلة الفورية). تقديم واجهة جيبية (النوع A: y=0.5sin(5πx/3)، النوع B: y=0.5sin(πx/3)). بالمقارنة مع الواجهة المسطحة، تزيد الواجهة المنحنية من مساحة الاتصال الفعلية (النوع A +2.4%، النوع B +12.8%). والأهم من ذلك، أنه يحول إجهاد الشد العرضي المركز إلى حالة إجهاد متعدد المحاور لمنع بدء الشقوق وتوسيعها.

البعد الثالث: اتجاه الطباعة (الطباعة العمودية). قم بتدوير اتجاه الطباعة بمقدار 90 درجة إلى الطباعة العمودية، مع وضع مادتين في نفس الطبقة في نفس الوقت. نظرًا للإفراط في البثق والتمدد المتزامن للمادتين عند حافة الفوهة، فإن تدفقات المواد المتجاورة تضغط على بعضها البعض لملء المسام قبل التصلب، مما يشكل بنية مجهرية متشابكة فريدة من نوعها في الواجهة - وهذه ظاهرة فريدة من نوعها لعملية MEX في الطباعة العمودية ولا يمكن تحقيقها في العمليات المعتمدة على الليزر. يتوافق طول سن المنشار مع عرض الخط (حوالي 500-560 ميكرومتر)، ويرتبط السمك بشكل إيجابي بارتفاع الطبقة (حوالي 160-330 ميكرومتر).

التلبيد المشترك الصلب والسائل عند 1165 °C

يبلغ خط Solidus لسبائك CuNi حوالي 1158 درجة مئوية وخط السائل حوالي 1190 درجة مئوية. اعتمد الباحثون استراتيجية التلبيد المشترك بين الطور الصلب والسائل (SLPS): اختيار درجة حرارة التلبيد بين الاثنين لإذابة CuNi جزئيًا لتشكيل مرحلة سائلة (حوالي 35٪)، في حين يظل الهيكل العظمي الخزفي لـ Cermet 25 صلبًا. يقلل الطور السائل بشكل كبير من صلابة طبقة CuNi ويخفف الضغط الحراري؛ وفي الوقت نفسه، تعمل كقناة لترحيل الطور المعدني، مما يعزز الانتشار البيني في الواجهة لتشكيل طبقة انتقالية، مما يؤدي إلى قفل ميكانيكي صغير. تعمل إضافة NiO على تعزيز تأثير التلبيد المشترك من خلال تفاعل درجة الحرارة العالية بوساطة النحاس (NiFe₂O₄ → NiO → Cu⋅NiO المحلول الصلب).

مقارنة بين ثلاث درجات حرارة للتلبيد: تظهر شقوق الواجهة في جميع عينات الطبقات عند 1150 درجة مئوية (المرحلة الصلبة الكاملة CuNi)، ويرتبط عرض الكراك بشكل إيجابي بسمك الطبقة المعدنية؛ عند 1165 درجة مئوية، تختفي تشققات الواجهة تمامًا، وتكون الطبقة الانتقالية كثيفة وخالية من العيوب، وهي درجة حرارة التلبيد المثالية. كثافة المادتين تزيد كثافتها عن 92%، ونسبة الانكماش في جميع الاتجاهات تقارب (20-22%)؛ عند 1180 درجة مئوية، يوجد الكثير من الطور السائل CuNi (أكثر من 50%)، ويحبس الطور السائل الغاز ليشكل مسام مغلقة بقطر 0.1-0.3 مم، وتنخفض الكثافة إلى حوالي 80%، وتتشوه العينة المكعبة إلى شكل إهليلجي بسبب التدفق اللزج الجاذبية.

زيادة مقاومة الانحناء 125% وتغير آلية الفشل

تصل قوة الانثناء لعينة LS-015 (سمك الطبقة المعدنية 0.15 مم) إلى 367.5 ميجا باسكال، وهو أعلى بنسبة 125% من عينة Cermet 25 المنفردة (163.1 ميجا باسكال) ويتجاوز جميع بيانات السيرميت المعتمدة على NiFe₂O₄. كما قفزت قوة الشد من 28.39 ميجا باسكال بسمك طبقة 3 مم إلى 67.51 ميجا باسكال بسمك طبقة 0.4 مم.

ويكمن السبب الكامن وراء قفزة الأداء في التحول الأساسي في أنماط الفشل. بالنسبة لهياكل الواجهة المستوية: منطقة تلامس الواجهة المحدودة (Aᵢ الصغيرة) ومسار الشق المستقيم (k≈1)، تكون طاقة الكسر الإجمالية Gc صغيرة. عندما يتجاوز العمل Wapp الذي يقوم به الحمل الخارجي Gc ولكنه لم يصل بعد إلى عمل اللدونة المعدنية Wplastic، فإن الشق يتوسع بسرعة على طول الواجهة - وهذا هو "فشل هش منخفض الطاقة يتم التحكم فيه من خلال الواجهة".

يغير الهيكل المتشابك المتعرج هذه الصورة. تعمل الواجهات المنحنية والطباعة العمودية على زيادة مساحة الاتصال الفعلية بشكل كبير، مما يزيد بشكل مباشر من طاقة كسر الواجهة؛ في الوقت نفسه، يُجبر الشق على التحرك بشكل متعرج على طول مسار متعرج، مع عامل متعرج k> 1، وتزداد طاقة تمدد الشق وفقًا لذلك. التأثير التآزري يجعل Gc > Wplastic ثابتًا - في هذا الوقت، يؤدي الحمل الخارجي أولاً إلى تحفيز التدفق البلاستيكي للطبقة المعدنية (الوصول إلى Wplastic). يؤدي التدفق البلاستيكي للمعدن إلى إضعاف طرف الشق واستهلاك الطاقة، مما يمنع التمدد السريع للشق على طول الواجهة. يمكن أن يستمر الحمل في الزيادة حتى تنكسر طبقة السيراميك أخيرًا. يعد هذا تغييرًا أساسيًا من "الكسر الهش ذو السطح البيني منخفض الطاقة" إلى "الكسر المرن الذي يتم التحكم فيه باللدونة المعدنية عالية الطاقة".

هندسة الواجهة محور التصميم الأساسي

وأهم نتيجة لهذه الدراسة هي التحقق من اتباع نهج منهجي: حرق المعادن - حرق المواد الخزفية المتعددة وتشققها - لا حاجة إلى معالجة بصيغ مجهزة أو بارامترات كافية - من خلال هيكل تفاعلي منهجي مصمم لتحويل الإجهاد من المصدر إلى إجهاد مفيد متعدد الأوجه.

من بين أبعاد التصميم الثلاثة، يعتبر ترقق الطبقة المعدنية هو الرافعة الأكثر مباشرة (التي تؤثر بشكل مباشر على سعة الضغط الحراري)؛ الواجهة المنحنية تزيد من مساحة الاتصال الفعالة وتحول حالة الضغط؛ تستفيد الطباعة العمودية من سلوك البثق الزائد الفريد لعملية MEX لتشكيل بنية متشابكة مسننة في الواجهة بشكل طبيعي. تعاونت الاستراتيجيات الثلاث مع بعضها البعض وتم فرض التأثيرات، مما أدى في النهاية إلى تحقيق زيادة في القوة بنسبة 125٪. تعتبر هذه الإستراتيجية فعالة أيضًا في المكونات الهندسية المعقدة - حيث تم تلبيد نمط حرف CSU والنموذج الأولي للأنود الوظيفي عند درجة حرارة 1165 درجة مئوية بدقة هندسية جيدة.

تنوير للعاملين في مجال التصنيع الإضافي: يعتبر التكسير المشترك للتلبيد في أنظمة المواد المتعددة السيراميكية المعدنية في الأساس مشكلة "إدارة إجهاد الواجهة"، وليست مشكلة "اختيار المواد". يعد تصميم هيكل الواجهة (السُمك والشكل واتجاه الطباعة) حلاً مباشرًا أكثر من تعديل الوصفة. المنطق الأساسي لهذه الاستراتيجية - تحويل الضغط المركز إلى إجهاد متعدد المحاور من خلال التصميم الهندسي وعدم التطابق الحراري من خلال استرخاء الطور السائل - هو أيضًا ذو قيمة مرجعية لتصنيع المواد المضافة متعددة المواد لأنظمة سيراميك معدنية أخرى (SiC/Al، Al₂O₃/Fe، إلخ).

القيود والآفاق

الدراسة صادقة بشأن القيود الحالية: الهيكل المتشابك المتعرج المطبوع عموديًا فعال، ولكن الدقة محدودة بحجم الفوهة الحالي (0.6 مم) وتوافق التغذية؛ بالإضافة إلى ذلك، لم يتم تغطية الخصائص الكهروكيميائية الأساسية للأنود الخامل (الموصلية، ومقاومة التآكل) في المقالة، وهذا هو بالضبط المؤشر الرئيسي للتطبيق العملي. وتشمل التوجهات المستقبلية تطوير فوهات عالية الدقة، وتغذية مخصصة لأنظمة متعددة المواد، والتحقق من الأداء على المدى الطويل في بيئات التحليل الكهربائي الحقيقية.

الأوراق المرجعية: Ouyang D، Fan P، Zhang W، Chen M، Zhang K، Xiong H، Kang X، Zhang L، Zhou K، Liu Y، Liu B. طباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد لأنودات خاملة من السيرميت المعدني عالية القوة للتحليل الكهربائي للألمنيوم عبر تصميم هيكل الواجهة. مواد مسحوقية متقدمة. 2026;5:100415. دوى: 10.1016/j.apmate.2026.100415