ما الذي يسبب المسامية في التكسية بالليزر؟

ما هي أنواع المسامية التي تحدث في عملية التكسية بالليزر؟

أثناء فحص المسامية، يجب التمييز بين المسام الغازية، والمسام المرتبطة بثقب المفتاح، وعيوب عدم الانصهار الشبيهة بالفراغات. تشمل المسام الغازية والمسام المرتبطة بثقب المفتاح غازًا محصورًا في المادة المتصلبة. أما عدم الانصهار فهو مختلف: إذ يتمثل في عدم اكتمال الانصهار أو الترابط بين المسارات أو الطبقات المترسبة أو الركيزة، وقد يظهر على شكل فراغ غير منتظم أو مستوٍ في المقطع العرضي. تُعد هذه الأنماط مؤشرات تشخيصية مفيدة، وليست دليلًا قاطعًا على آلية العيب.

مسامات الغاز

تكون المسامات الغازية عادةً مستديرة أو بيضاوية الشكل، وقد تتواجد داخل الطبقة المترسبة دون أن تتبع حدود مسار محدد. تتشكل هذه المسامات عندما تبقى الفقاعات في حوض الانصهار حتى يتصلب المعدن. تشمل المصادر المحتملة الغاز المحتبس داخل جزيئات المادة الخام، والغاز المصاحب لتوصيل المسحوق، والغاز المنبعث من تفاعلات خاصة بالمادة، أو الفراغات التي تتكون عند إعادة صهر طبقة سابقة. يحدد تدفق حوض الانصهار وجبهة التصلب المتقدمة ما إذا كانت الفقاعات ستتحرك أو تندمج أو تهرب أو تُحتبس. وقد لاحظ تشانغ وزملاؤه مباشرةً العديد من هذه السلوكيات في دراسة بالأشعة السينية أجريت عام 2024 على تقنية الترسيب المباشر للطاقة.

عيوب عدم الاندماج

تكون عيوب عدم الانصهار عادةً غير منتظمة، أو مستطيلة، أو مستوية موضعياً. وتوجد غالباً بين المسارات أو الطبقات المتجاورة، أو عند السطح الفاصل بين الغلاف والركيزة. وتشير هذه العيوب إلى أن المواد لم تنصهر وتلتحم بشكل كافٍ عبر الحدود؛ وهي ليست مسامات غازية، حتى عندما يُظهر المقطع العرضي المصقول مؤشراً يشبه الفراغ. ويمكن أن تُساهم عوامل مثل انخفاض مدخلات الحرارة الفعالة، وسرعة الحركة المفرطة، ومعدل تغذية المسحوق غير المناسب، وضعف تداخل المسارات، أو موضع التركيز غير الصحيح في حدوث هذه العيوب. كما قد تُعيق أكاسيد السطح أو التلوث عملية التبلل والترابط، وذلك بحسب نوع المادة.

أشارت دراسةٌ ذات صلةٍ بإصلاح طبقات التكسية من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L إلى وجود مسامات غازية صغيرة مستديرة محصورة داخل المادة المترسبة، وعيوب أكبر حجماً وغير منتظمة ناتجة عن عدم الانصهار عند سطح التماس بين طبقة التكسية والمادة الأساسية. يُبيّن هذا المثال أهمية كلٍّ من الشكل والموقع. تنطبق هذه النتائج على مواد الفولاذ المقاوم للصدأ 316L وأنظمة الترسيب المحددة التي دُرست، ولا ينبغي اعتبارها قاعدةً عامةً (ريفيلا ودي غريف، 2022).

المسام المتعلقة بفتحة المفتاح

قد تتشكل مسام على شكل ثقب المفتاح عندما تُحدث كثافة الطاقة الموضعية العالية انخفاضًا عميقًا في بخار الماء في حوض الانصهار. إذا أصبح هذا الانخفاض غير مستقر وانهار قبل التصلب، فقد ينحصر فراغ. لا يُؤخذ هذا الاحتمال في الاعتبار إلا عندما تدعم ظروف العملية تشكل انخفاض بخار الماء؛ فالمسام الدائرية بحد ذاتها لا تُثبت أنها ناتجة عن ثقب المفتاح. كما يختلف الترسيب المباشر للطاقة المُغذى بالمسحوق عن دمج مسحوق الليزر، لأن توصيل المسحوق وتوهين الليزر وهندسة الفوهة تؤثر على ظروف حوض الانصهار.

تتناول مراجعة أجريت عام 2024 حول تقنية الترسيب المباشر للطاقة بالليزر (L-DED) باستخدام مسحوق متحد المحور، المسامات الغازية وعيوب عدم الانصهار كفئتين منفصلتين من العيوب. وتحدد مصادر الغاز المحتملة مثل الغازات المحمولة بالمسحوق وبخار المعدن، وتصف مؤشرات عدم الانصهار عند تداخل المسارات، وواجهات الطبقات، ومنطقة ربط الطلاء بالركيزة (مو وآخرون، 2024).

ما الذي يسبب المسامات الغازية في عملية التكسية بالليزر؟

الغاز المحبوس داخل مسحوق المعدن

تحتوي بعض المواد الخام المسحوقة على مسامات داخلية مملوءة بالغاز نتيجةً لعملية إنتاجها. في المساحيق المُذرّرة بالغاز، قد تحتوي الجسيمات على مسامات داخلية صغيرة غير مرئية من سطحها الخارجي. عند انصهار الجسيمات، يمكن للغاز أن يدخل إلى حوض الانصهار. إذا لم تخرج الفقاعة قبل تصلب المعدن المحيط بها، فقد تبقى في الطبقة المترسبة. لذا، فإن سلامة سطح المسحوق ظاهريًا لا تنفي وجود مسامية داخلية.

استخدم تشانغ وآخرون (2024) التصوير بالأشعة السينية والنمذجة في الموقع لتتبع فقاعات الغاز أثناء عملية الترسيب المباشر للطاقة. وأظهرت ملاحظاتهم انتقال الفقاعات من المسحوق المُذرَّر بالغاز إلى حوض الانصهار؛ حيث تسرب بعضها، واندمج بعضها الآخر، بينما حُبس البعض الآخر بواسطة جبهة التصلب. عند ظهور عيب بعد تغيير دفعة المسحوق، ينبغي تضمين تاريخ المسحوق وخصائص المادة الخام في التحقيق بدلاً من افتراض أن تغيير إعدادات الليزر سيحل المشكلة.

الغاز الذي ينتقل إلى حوض الصهر مع تيار المسحوق

في أنظمة التغذية بالمسحوق المحورية، ينقل الغاز الحامل الجزيئات عبر خط التوصيل والفوهة. يُعدّ الغاز جزءًا من عملية توصيل المسحوق، لذا لا يُعتبر وجوده وحده سببًا للمسامية. يمكن أن يؤثر استقرار التدفق، وسرعة الجزيئات، وتقارب تيار المسحوق، ومحاذاة الفوهة، والمسافة بينها وبين خط الإمداد على كيفية دخول الجزيئات وتفاعلها مع حوض الانصهار. تحقق من وجود تدفق غير طبيعي، أو تسريبات، أو عوائق، أو عدم محاذاة تيار الغاز.

لا يعني هذا أن غاز الحماية هو بالضرورة سبب كل مسام. فغاز النقل وغاز الحماية لهما وظائف مختلفة، وقد تحتوي الآلة على مسارات تدفق منفصلة. لمزيد من التوضيح، راجع الدليل المعنون بـما هو الغاز المستخدم في عملية التكسية بالليزر؟

الغاز المنبعث من المادة أو من رواسب سابقة

قد تحتوي الركيزة والمسارات المترسبة سابقًا على مسامات صغيرة أو فواصل أخرى. عند إعادة صهر هذه المادة في عملية لاحقة، قد تنفتح بعض الفراغات الموجودة في حوض الصهر الجديد وتنتقل أو يُعاد توزيعها. كما قد تُطلق تفاعلات خاصة بالمواد غازات. تُعد الرطوبة أحد العوامل المحتملة في بعض أنظمة المساحيق والسبائك؛ وتناقش مراجعات ترسيب المعادن بالليزر تجفيف المساحيق عند الحاجة (Cheng et al., 2022). لا تفترض أن الرطوبة هي سبب كل سبيكة أو كل مسام.

فقاعات محصورة قبل أن يتصلب حوض الذوبان

لا ترتفع الفقاعة تلقائيًا من مسار المعدن المنصهر. تعتمد حركتها على حجمها، وقوة طفوها، وحركة الحمل الحراري في حوض الصهر، ولزوجتها، والوقت المتاح قبل التصلب. وقد رصدت دراسة بالأشعة السينية أُجريت عام ٢٠٢٤ فقاعات تتحرك مع تدفق المعدن المنصهر، وتندمج، وتهرب، أو تُحاصرها جبهة التصلب المتقدمة. ولهذا السبب، فإن "إبطاء التبريد" ليس حلاً شاملاً، إذ أن مجال التدفق، وحجم الفقاعة، وشكل حوض الصهر عوامل مهمة أيضًا.