معرفة

أود أن أشارككم الأدبيات التقنية "نظرة عامة على قوالب السيراميك لصب سبائك النيكل الفائقة بالاستثمار"، والتي ربما تكون المراجعة الأكثر شمولاً لأبحاث الأغلفة الخزفية في الوقت الحاضر.

 

من خلال آلية تقوية الألياف المذكورة أعلاه، تم زيادة قوة الانحناء بنسبة تصل إلى 261٪ [46]. لكن المثير للاهتمام أن إضافة الألياف حسّنت أيضاً من مسامية الهيكل. على الرغم من عدم احتراق الألياف بالكامل أثناء عملية الحرق، إلا أن المسامية لا تزال تتجاوز 27%. ويعزى ذلك إلى شبكة الألياف المتشابكة، والتي ثبت أنها تحفز بنية مسامية متصلة جيدًا. قد يرجع ذلك إلى تحسين توزيع المسام حول شبكة الألياف، مما يعزز اتصال المسام [46، 48، 49]. هناك عنصر مهم آخر يؤثر على خصائص القوالب الخزفية في حالتيها الخضراء والمتلبدة، وهو محتوى المادة الرابطة. تتمثل الوظيفة الرئيسية للمادة الرابطة في توفير قوة خضراء كافية لقالب الغلاف غير المتلبد لتمكين خطوات المعالجة الأولية، ولكن لها أيضًا تأثير كبير على الخصائص المختلفة للغلاف واللب الخزفي، بما في ذلك اللزوجة والاستقرار والنفاذية بعد التلبيد. أحد المواد الرابطة الشائعة الاستخدام في الملاط الخزفي هو السيليكا الغروية، والتي حلت محل المواد الرابطة من سيليكات الإيثيل بسبب اللوائح الحكومية [50، 34]. ويرجع ذلك إلى أن السيليكا الغروية يمكن أن توفر قوة خضراء كافية وتثبت الملاط لمنع التصلب الذاتي والتكتل [51، 52]. وقد توصلت دراسات متعددة إلى أن المعايير المختلفة لمواد الربط السيليكا، بما في ذلك نسبة الطور الصلب ونسبة الحشو إلى الرابط، لها تأثير كبير على الأداء. مع زيادة محتوى السيليكا، ترتفع اللزوجة بشكل كبير (الشكل 11)، مما يؤدي إلى زيادة قوة الانحناء وانخفاض النفاذية [52، 53]. ويرجع ذلك إلى أن جزيئات السيليكا تشكل شبكة روابط السيلوكسان أثناء عملية التجفيف [54]. يمكن تسريع هذه العملية عن طريق إضافة الإلكتروليتات، التي تعمل على معادلة جزيئات السيليكا وتقصير وقت التجفيف [53]. على غرار الجزء الصلب، فإن زيادة نسبة الحشو إلى المادة الرابطة تزيد من كثافة الملاط، وبالتالي تزيد من لزوجة وقوة انحناء الغلاف الناتج [53]. بالإضافة إلى المواد الرابطة الغروية التقليدية، فإن فئة من المواد الرابطة القابلة للذوبان في الماء والتي حظيت باهتمام أكبر في السنوات الأخيرة تُظهر أيضًا إمكانات لتصنيع قوالب قشرية خزفية ذات خصائص ميكانيكية جيدة. ومن بينها، يعتبر كحول البولي فينيل (PVA)، وهو مادة رابطة بوليمرية عضوية، المادة الرابطة الأكثر دراسة من بين المواد القابلة للذوبان في الماء. تزداد لزوجته (الشكل 12) وقوة انحنائه مع زيادة المحتوى [55، 56]. وتدعم دراسة أخرى هذا الرأي وتقارن أيضًا بين PVA واثنين من المواد الرابطة لحمض البولي أكريليك في نظام سيراميك كربيد السيليكون، حيث تبلغ الكسور الكتلية للمواد الرابطة لحمض البولي أكريليك 20٪ (PA) و 40٪ (PA2) من كوبوليمر حمض الإيثيلين والأكريليك. وجدت الدراسة أنه عند نسبة مادة رابطة تبلغ 15٪ (نسبة الكتلة)، فإن المادة الرابطة PA توفر مزيجًا مثاليًا من الخصائص. وتشمل هذه الخصائص اللزوجة المنخفضة نسبيًا والترابط والاستقرار الأمثل [50]. هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول معايير نظام الملاط للمواد الرابطة القابلة للذوبان في الماء لفهم كيفية ضبط هذه المعايير للتأثير على خصائص محددة لقوالب القشرة الخزفية.

 

 

3. عملية التحضير

 

يُعدّ صب الاستثمار طريقةً كلاسيكيةً لمعالجة المعادن. ورغم التطورات الكبيرة في تكنولوجيا المواد، إلا أن بعض جوانبها لا تزال ثابتة. فعملية صب "الشمع المفقود" التقليدية، التي يعود تاريخها إلى آلاف السنين، لا تزال شائعةً في العصر الحديث نظرًا لانخفاض تكلفتها ودقتها العالية في الأبعاد وقابليتها للتكرار. ولذلك، لا تزال تقنية تشريب الطين هي الطريقة الرئيسية لصنع الأغلفة الخزفية لصب الاستثمار. ومع تطور أنظمة أكثر تعقيدًا ومواصفات صب أكثر دقة، بما في ذلك شفرات التوربينات الحديثة، بات من الضروري دمج النوى الخزفية في أغلفة صب الاستثمار. تُساعد هذه النوى في تشكيل أشكال هندسية داخلية متنوعة، وذلك بشكل أساسي لزيادة قنوات التبريد للتحكم في درجة الحرارة [1]. ومنذ نشأتها، ظلت طرق معالجة هذه النوى مستقرةً نسبيًا، حيث يُعدّ قولبة الحقن الطريقة الرئيسية للتشكيل. ومع ذلك، فقد أدت المتطلبات القصوى لصب السبائك في درجات حرارة عالية إلى تفاقم العديد من قيود الأغلفة التقليدية، ولا سيما محدودية التحكم في الخصائص الهيكلية التي قد تؤثر على الخواص الميكانيكية والحرارية، فضلًا عن تفاعل السطح البيني بين المصهور والغلاف الخزفي.

 

3.1. العقبات

 

تحتوي السبائك الفائقة القائمة على النيكل على عناصر سبائك متعددة مثل التيتانيوم، والكوبالت، والهافنيوم، والكربون، والتنغستن، والتنتالوم، والرينيوم، والألومنيوم، والإتريوم، والكروم، والزركونيوم، والموليبدينوم، والبورون. تؤثر هذه الإضافات على التغيرات الفيزيائية من خلال تثبيط و/أو تثبيت أطوار مختلفة، مما يُحسّن الخواص الحرارية والميكانيكية والكيميائية للسبيكة [3-5]. على سبيل المثال، يُحسّن الهافنيوم بتركيز أقل من 1% مقاومة الزحف لسبائك النيكل ويُبطئ بدء وانتشار الشقوق الدقيقة أثناء التصلب [57]. بالإضافة إلى ذلك، تُعزز عناصر مثل الكروم والألومنيوم مقاومة التآكل، بينما يُقوّي الكربون والإتريوم حدود الحبيبات لزيادة المتانة الميكانيكية للسبائك متعددة البلورات [58، 59]. مع ذلك، ورغم أهمية هذه العناصر وغيرها المذكورة سابقًا لوظائف السبيكة، فقد ثبت أيضًا أنها تُكثّف التفاعلات السطحية مع الغلاف الخزفي أثناء الصب [21، 60-62]. هذه الطبقات، فضلًا عن آثارها السلبية الأخرى، تزيد بشكل ملحوظ من تكاليف التصنيع وتقلل من دقة أبعاد المسبوكات. لذا، يُعدّ الحدّ من هذه التفاعلات الكيميائية أثناء الصب خطوة أساسية في تكوين أغلفة أكثر دقة وفعالية من حيث التكلفة.

 

من الطرق الشائعة للحد من تفاعلات السطح البيني طلاء السطح الخارجي للنواة والسطح الداخلي للغلاف بطبقات خاملة. تتكون هذه الطبقات عادةً من أكاسيد المعادن، والنيتريدات، والكربيدات، و/أو السيليسيدات، التي تُشكل أسطحًا غير متفاعلة للحد من انتشار الأيونات من المادة الخزفية إلى السبيكة، وبالتالي تقليل العيوب الناتجة عن التفاعلات الكيميائية.

 

الشكل 11. تأثير نسبة الكتلة الصلبة لمادة السيليكا الغروية الرابطة على لزوجة المعلق، مما يشير إلى أن اللزوجة تزداد مع زيادة محتوى السيليكا في الطور الصلب (معاد إنتاجه بإذن من المرجع [52]).

الشكل 13. صورة منطقة الواجهة لطبقة سطح الألومينا المنصهرة التي تحتوي على 5% (نسبة الكتلة) من Cr2O3 (مُعاد إنتاجها بإذن من المرجع [60])

الشكل 14. صورة منطقة الواجهة لطبقة سطح الألومينا المنصهرة التي تحتوي على 5٪ (نسبة الكتلة) من نتريد البورون السداسي (معاد إنتاجها بإذن من المرجع [60]).

يدعم ذلك العديد من الدراسات التي استخدمت طبقات سطحية معدلة من الألومينا للحد من التفاعل البيني. أظهرت دراسة أولية أن إضافة 5% وزناً من مسحوق سيراميكي مكون من نتريد البورون السداسي (h-BN) والكاولين المكلس إلى الطبقة السطحية يمكن أن يقلل بشكل كبير من قابلية ترطيب السبيكة على هذه الطبقة [63]. في دراسة لاحقة، قورنت طبقات سطحية من الألومينا المنصهرة مع إضافات مختلفة من h-BN بطبقات سطحية من الألومينا تحتوي على نسب مختلفة من Cr2O3، وتظهر نتائج طبقة التفاعل في الشكلين 13 و14. أشارت الدراسة إلى أن إضافة h-BN نجحت في زيادة زاوية الترطيب، مما قلل من اختراق المصهور للطبقة السطحية، بينما لم يكن لـ Cr2O3 القدرة على الحد من التفاعل البيني [60]. تتمثل طريقة أخرى لتطبيق حاجز في ترسيب طبقة رقيقة من الألومنيوم على سطح الغلاف لجعله موصلاً. بعد ذلك، يمكن طلاء السطح بمسحوق إلكتروستاتيكي، وتتفاعل الطبقة المعدنية مع الألومينا لتصبح جزءًا من طلاء حاجز تثبيط التفاعل [22].

 

3.2. النماذج الأولية السريعة والتصنيع الإضافي: للتغلب على القيود الشائعة لتقنيات صناعة الأصداف التقليدية، بما في ذلك صعوبة التحكم في السماكة وتفضيل تركيبات كيميائية معينة، استخدمت الأبحاث الحديثة تقنيات النماذج الأولية السريعة والتصنيع الإضافي (AM) لتحسين التحكم في بنية الصدفة. كما نوقش في المراجعة السابقة، فإن حواف الأغلفة الخزفية هي مواقع محتملة للفشل الميكانيكي بسبب تركيز الإجهاد وانخفاض سمك الغلاف [33]. إن تقنيات الغمس التقليدية غير قادرة على معالجة هذه المشكلة بشكل فعال، ولتحقيق قوة كافية لمنع انتشار الشقوق، يجب التضحية بخصائص أخرى ضرورية مثل النفاذية [35]. بفضل التصنيع الإضافي، يتم تعزيز مرونة التصنيع بشكل كبير، مما يسمح بإنشاء تصميمات مركبة يمكنها توليد مناطق ذات تركيبات كيميائية وسماكات وخصائص ميكانيكية وحرارية متفاوتة في مواقع محددة. باستخدام تقنية الطباعة المجسمة لتشكيل مكونات متعددة الطبقات، يمكن أن يمتد التحكم إلى مستوى التصميم الهيكلي، وليس مجرد تعديلات بسيطة في الأبعاد. الطباعة المجسمة هي تقنية تصنيع إضافية تقوم ببناء طبقة تلو الأخرى من خلال عملية كيميائية ضوئية. في هذه الحالة، يمكن تصميم كل طبقة وفقًا للوظيفة المطلوبة للمكون، وبالتالي تشكيل مكونات متدرجة وظيفيًا [64]. بالمقارنة مع التقنيات المماثلة القائمة على الملاط، تتمتع هذه العملية بالعديد من المزايا المحتملة لأنها تسمح بتعديل خصائص كل طبقة، مما ينتج عنه أغلفة أكثر جدوى. أظهرت الدراسات أنه يمكن استخدام عمليات التصنيع الإضافي لإعداد أجسام اللب الخارجية المكونة من مساحيق باهظة الثمن وخاملة للغاية تعتمد على الإيتريا، بينما يستخدم الجسم الرئيسي لللب مواد سيراميكية أقل تكلفة وأسهل في الذوبان. وهذا يسمح باستخدام خمول السيراميك القائم على الإيتريا عند ملامسته لمصاهر السبائك ذات درجة الحرارة العالية، مع التخفيف من الآثار السلبية لقيودها، كما نوقش في القسم 4.4 فيما يتعلق بالإيتريا. كما يتم إدخال طبقة وسيطة بين الجسم الأساسي الخارجي والجسم الرئيسي للجسم الأساسي لتخفيف الإجهادات الحرارية الناتجة عن الاختلافات في معاملات التمدد وتحسين أداء التلبيد [65]. يمكن أن يذهب التصنيع الإضافي إلى أبعد من ذلك، ليس فقط في التأثير على تكوين الغلاف والتحكم الهيكلي فيه، ولكن أيضًا في دمج التغييرات في الهندسة. على سبيل المثال، يمكن استخدام التصنيع الإضافي لدمج المسام والقنوات في الجسم الأساسي لتعزيز الترشيح في المناطق الأكثر سمكًا والأقل نفاذية. لقد تم إثبات العلاقة بين المسامية والترشيح بشكل جيد في معالجة اللب الخزفي والتطبيقات الأخرى [66، 67]، ويمكن الاستفادة منها بسهولة من خلال التصنيع الإضافي. ومن القدرات الأخرى للتصنيع الإضافي التشكيل المباشر لنماذج الشمع دون الحاجة إلى قولبة الحقن. وقد لاحظ بعض الباحثين مزايا التصنيع الإضافي في هذا التطبيق، حيث أنه يقلل من وقت إعداد الأدوات والتكاليف المرتبطة بعمليات قولبة الحقن القياسية وتجميع نماذج الشمع [68، 69].

 

3.3. طريقة الصب بالجيل: الصب بالجيل هو عملية يتم دمجها غالبًا مع تقنيات التصنيع الإضافي لتصنيع النوى الخزفية. إنها عملية قريبة من الشكل النهائي حيث يتم وضع مسحوق السيراميك في محلول مونومر عضوي ثم يتم سكبه في قالب. يُمكّن التشكيل بالجل من بلمرة الخليط إلى جل عالي القوة وعالي الترابط، وله دورة تطوير قصيرة نسبيًا [70]. تم تطوير عملية صب الجل لإنتاج منخفض التكلفة للقلوب الخزفية القائمة على الألومينا بنجاح باستخدام عملية التجفيف بالتجميد لتقليل الانكماش ومنع تشكل الشقوق، كما هو موضح في الشكلين 15 و 16 [71]. يمكن تحقيق المزيد من التحكم في الانكماش عن طريق إضافة أقل من 0.5٪ من مسحوق أكسيد المغنيسيوم، مما يعوض الانكماش الطبيعي للتلبيد في القلب عن طريق تشكيل MgAl2O4 المتمدد [71،72]. الرقم 15. (أ) الشقوق الناتجة عن التجفيف الطبيعي بالهواء و (ب) تثبيط تكوين الشقوق أثناء عملية التجفيف الطبيعي بالهواء (معاد إنتاجه بإذن من المرجع). [71]) الشكل 16. تُظهر مقارنة انكماش التجفيف بالهواء وانكماش التجفيف بالتجميد أن التجفيف بالتجميد يؤدي إلى انكماش تجفيف أقل بكثير (مُعاد إنتاجه بإذن من المرجع). [71]) كما ذكرنا سابقًا، يمكن دمج تقنية الصب الهلامي مع التقنيات التكميلية لتحسين معايير العملية المختلفة. في إحدى الدراسات، تم دمج التصنيع الإضافي مع تقنية الصب الهلامي لتطوير نماذج أولية معقدة من الراتنج بسرعة لاستبدال القوالب المعدنية القياسية. تتميز هذه النماذج بمزايا انخفاض التكلفة، وقصر وقت التسليم، ودقة التشكيل العالية، والصلابة الجيدة، وجودة السطح الممتازة [71]. وبالمثل، تم تطوير قلب خزفي لصب سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والتيتانيوم من خلال عملية الصب الهلامي. استخدمت هذه الطريقة مادة طينية أساسها الكالسيوم وراتنج إيبوكسي قابل للذوبان في الماء، بكثافة خضراء للجسم الأخضر تبلغ 58.5٪ وقوة انحناء تصل إلى 29.5 ميجا باسكال. بالإضافة إلى ذلك، فإن قابلية ذوبان اللب في الماء تسهل إزالة اللب بعد الصب، مما يتغلب على قيود قابلية التسرب [73]. على الرغم من هذه الخصائص المشجعة، فإن معدل انكماش التلبيد المرتفع نسبياً والذي يزيد عن 11٪ يشير إلى خطر كبير للتشقق، وهي مشكلة شائعة في العديد من عمليات صب الجل. علاوة على ذلك، لا يوجد دليل على إمكانية تطبيق هذه العملية على السبائك الفائقة القائمة على النيكل. ومن الاعتبارات الرئيسية الأخرى في عملية المعالجة، كما ذكرنا عدة مرات سابقًا، نفاذية الغلاف الخزفي، مما يسمح للغازات بالهروب من خلال الغلاف. لتحسين نفاذية الأغلفة الخزفية المتلبدة، تستخدم العديد من العمليات عوامل تشكيل المسام (PFAs) في الملاط الخزفي، والتي تحترق أثناء عملية الحرق، تاركة مسامًا وبالتالي تعزيز نفاذية الغلاف. نظراً للصعوبات التي غالباً ما تواجه عند الانتقال إلى عوامل تشكيل المسام الليفية، فقد عادت الدراسات الحديثة إلى طريقة تقريبية لتقنيات تشكيل المسام التقليدية، وهي عملية تلبيد فحم الكوك بالإبرة، حيث يتم استخدام فحم الكوك بالإبرة كمادة مالئة في الملاط الخزفي. يحظى فحم الكوك الإبري بشعبية خاصة بسبب قوته العالية، ومعامل التمدد المنخفض، ومقاومته الجيدة للصدمات الحرارية، وتكلفته المنخفضة [74]. بالمقارنة مع أغلفة السيليكا المنصهرة التقليدية، فإن إضافة فحم الكوك الإبري تزيد من سمك الغلاف الإجمالي بنسبة 30٪ وسمك الحافة بنسبة 60٪، دون الحاجة إلى طبقات طلاء إضافية، مما يقلل من النفاذية ووقت الإنتاج. علاوة على ذلك، فإن الأصداف ذات المسام الناتجة عن البترول تُظهر قوة خضراء أكبر وقوة حرارية مماثلة مقارنة بنظام السيليكا المنصهرة، مما يشير إلى أنه يمكن الحفاظ على القوة حتى مع زيادة المسامية، كما هو موضح في الأشكال من 17 إلى 19 [74،75].

 

 

 

4. مواد السيراميك

 

كما ذُكر سابقًا، تُؤثر المواد الخزفية المُستخدمة في قوالب الصب الاستثماري تأثيرًا كبيرًا على جدوى نظام الصب وعمليته. وتشمل الاعتبارات الأساسية التفاعل، وقابلية الترشيح، والخواص الميكانيكية، والخواص الحرارية الميكانيكية، وسهولة المعالجة. وقد أثبتت أكاسيد السيراميك أنها أنجح المواد الخزفية لصب السبائك الفائقة نظرًا لانخفاض تفاعلها مع المصهور. أما المواد الخزفية الرئيسية المُستخدمة في تصميم قوالب الصب - والتي سيتم تناولها في هذه المراجعة - فهي السيليكا، والألومينا، والزركون، والمواد القائمة على الإيتريوم. وسيتم فيما يلي دراسة الأداء التاريخي لهذه المواد الخزفية فيما يتعلق بالخواص الرئيسية المذكورة أعلاه.

4.1. ثاني أكسيد السيليكون

 

تُعدّ المواد القائمة على السيليكون، والمصنوعة من السيليكا المنصهرة (SiO2)، من أكثر المواد الخزفية شيوعًا في صبّ مكونات السبائك عالية الحرارة. وباعتبارها متعددة الأشكال، تختلف خصائص ثاني أكسيد السيليكون اختلافًا كبيرًا تبعًا لطورها. الطوران الرئيسيان لثاني أكسيد السيليكون اللذان سنتناولهما هنا هما السيليكا المنصهرة (شكلها غير المتبلور) والكريستوباليت (الشكل المعدني متعدد الأشكال عند درجات الحرارة العالية). في حالتها غير المتبلورة، تتمتع السيليكا المنصهرة بالعديد من المزايا في بيئات درجات الحرارة العالية، بما في ذلك معامل تمدد حراري منخفض للغاية (0.6 × 10⁻⁶ كلفن⁻¹)، مما يمنحها مقاومة ممتازة للصدمات الحرارية. كما تتميز السيليكا المنصهرة بقابلية ترشيح جيدة، ويمكن إزالتها باستخدام محاليل مائية من هيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد البوتاسيوم دون إتلاف سبيكة الصب نفسها [24]. ومع ذلك، تكمن أهم ميزة للسيليكا المنصهرة في إمكانية التحكم في خصائصها الميكانيكية والحرارية. تلين السيليكا المنصهرة القياسية، مما يجعلها عرضة للتشوه تحت الضغط أثناء التلبيد، بما في ذلك الزحف. يمكن معالجة هذه المشكلة بتعزيز قوة الغلاف، والتي تعتمد بشكل كبير على عاملين: المسامية الظاهرية وتحول الكريستوباليت [24]. الكريستوباليت هو شكل متعدد الأشكال من ثاني أكسيد السيليكون يتشكل على سطح جزيئات السيليكا المنصهرة أثناء التلبيد في درجات حرارة عالية [76]. يهيمن هذا التحول على سلوك التلبيد للمواد الخزفية القائمة على السيليكا المنصهرة في درجات حرارة عالية، كما هو الحال في تطبيقات الصب، حيث يمكنه تعزيز قوة اللب. وقد ثبت أن التحول الأولي إلى طور بيتا-كريستوباليت يزيد من قوة وكثافة حجم أغلفة السيليكا المنصهرة، كما هو موضح في الشكل 20. قوة الانحناء للعينة الملبدة عند 1300 درجة مئوية (11.4 ميجا باسكال) أعلى من قوة الانحناء للعينة الملبدة عند 1200 درجة مئوية.