أنتجت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد سبيكة تيتانيوم رقم ١٠، محقّقةً رقماً قياسياً عالمياً جديداً. المصدر: جمعية بكين للعلوم والتكنولوجيا

يمكن لطباعة ثلاثية الأبعاد إنتاج أجزاء معدنية ذات هياكل معقدة وخصائص خفيفة الوزن بسهولة، وهي ميزة جذّابة للغاية لمعدات الجيل القادم عالية المستوى مثل الطائرات والمركبات الفضائية التي تسعى إلى تقليل الوزن وتحقيق التكامل. ومع ذلك، فإن الأجزاء المعدنية المُصنَّعة بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد تعاني عمومًا من عيبٍ جوهريٍّ — أداء ضعيف في مقاومة الإجهاد المتكرر (التعب)، أي أنها عرضة للتشقق الناتج عن التعب تحت الأحمال الدورية، ما يحدّ بشكلٍ خطيرٍ من تطبيقاتها الأساسية. وفي الآونة الأخيرة، طوَّرت فريق بحثيٌّ بقيادة الباحثين تشانغ تسيفنغ وتشانغ تشن جون من معهد أبحاث المعادن التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (IMR، CAS) تقنيةً جديدةً لمعالجة ما بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد. ويُظهر معدن سبائك التيتانيوم المنتج عبر هذه التقنية (NAMP) مقاومةً غير مسبوقةً للتآكل الناتج عن التعب تحت مختلف ظروف نسبة الإجهاد، حيث تتفوق أداؤه الشامل في مقاومة التعب على جميع المواد المعدنية المعروفة حتى الآن، مما يزيل عقبةً كبرى أمام تطبيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في المجالات الدقيقة جدًّا والمتطورة. وقد نُشِرت النتائج البحثية ذات الصلة في مجلة «ساينس أدفانسيز» (Science Advances).

في أوائل عام 2024، ابتكر الفريق عملية جديدة تُسمى NAMP يمكنها التحكم بدقة في البنية الداخلية والعُيوب الموجودة في المواد. ويمكن لهذه العملية إعداد سبيكة التيتانيوم Ti-6Al-4V، وهي إحدى أكثر سبائك التيتانيوم استخدامًا، بحيث تزيل كلاً من المسام الدقيقة والهياكل المجهرية الخشنة — وكلاهما يُعدّان السببين الرئيسيين المسبِّبين لظاهرة الإرهاق المادي. وقد حقَّق هذا المادة الجديدة رقماً قياسياً عالمياً في «القوة الإرهاقية النوعية» تحت ظروف نسبة إجهاد «شد-شد».

ومع ذلك، فإن الأجزاء الواقعية مثل شفرات محركات الطائرات ومنظومات الهبوط تتعرض لظروف إجهادية معقدة للغاية، والتي تشمل ليس فقط حالة «الشد-الشد»، بل أيضًا حالة «الشد-الضغط»، أي أن نسبة الإجهاد تتغير. وقد تؤدي نسب الإجهاد المختلفة إلى تشغيل آليات تلف مختلفة داخل المادة. وغالبًا ما تواجه البنية المجهرية للسبيكات التقليدية من التيتانيوم قيودًا معينة؛ فهي تؤدي أداءً جيدًا فقط تحت نسب إجهاد محددة معينة، بينما قد تنخفض كفاءتها عند تغير نسبة الإجهاد. وهذا يجعل من الصعب جدًّا تصنيع مادةٍ تؤدي أداءً ممتازًا في جميع ظروف التشغيل.

وبمواجهة هذه التحديات الأكثر تعقيدًا، حدد فريق البحث عدة نقاط ضعف في سبائك التيتانيوم التي تكون عرضة للتشقق بسبب التعب المعدني، وكذلك أنماط الإجهادات التي تحدث تحتها. وباستخدام عملية NAMP، أنتج الفريق هياكل مطبوعة ثلاثية الأبعاد خالية تقريبًا من المسام، ما يسمح بتحسين جميع نقاط الضعف هذه في وقتٍ واحد. وتتميّز هذه السبيكة المصنوعة من التيتانيوم والمطبوعة ثلاثيّاً بخاصية الحفاظ على مقاومة عالية للتعب المعدني حتى في ظل ظروف نسبة إجهاد كاملة.

وتُظهر البيانات التجريبية أنه في اختبارات التعب المعدني التي أُجريت عند نسب إجهاد مختلفة، لا تفوق مقاومة التعب المعدني لهذه المادة الجديدة جميع سبائك التيتانيوم فحسب، بل إن «المقاومة النوعية للتعب» لها تتفوّق بشكل شامل على جميع المواد المعدنية، محققةً رقماً قياسياً عالمياً جديداً.