توصيف البنية الدقيقة والخصائص المغناطيسية والحرارية لسبائك Fe–45Ni المصنعة بالتصفيح بالليزر على فراش المسحوق

معدن يحافظ على شكله ومغناطيسيته

تحتاج الأقمار الصناعية الحديثة والتلسكوبات والأدوات الدقيقة إلى أجزاء معدنية تكاد لا تتغير أبعادها مع تغير درجة الحرارة ومع ذلك تستجيب بقوة للمجالات المغناطيسية. تستكشف هذه الدراسة وصفة واعدة لتصنيع مثل هذه الأجزاء: سبيكة حديد–نيكل تحتوي على 45% نيكل (Fe–45Ni)، مصنوعة ليس بالصب والتشغيل التقليدي، بل بالطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الليزر. توضح الدراسة كيفية ضبط إعدادات الطباعة بحيث تخرج السبيكة كثيفة، ذات مجال مغناطيسي قوي، ومستقرة للغاية عند التسخين.

لماذا تهم سبيكة مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

تستخدم سبائك الحديد–النيكل بالفعل في أجهزة تتطلب مغناطيسية موثوقة وانكماشًا حراريًا منخفضًا جدًا — من الساعات الدقيقة إلى هياكل المركبات الفضائية. لكن طرق التصنيع التقليدية تواجه صعوبة في إنتاج أشكال معقدة دون تشققات، أو هدر مادة، أو عمليات تشغيل إضافية مكلفة. يوفر التصفيح بالليزر على فراش المسحوق، وهو عملية طباعة معدنية ثلاثية الأبعاد، طريقة لبناء أشكال معقدة مباشرة من المسحوق. المشكلة أن الليزر المكثف الذي يتحرك بسرعة يولد تغيّرات حرارية حادة قد تترك وراءها مسامًا وتشققات وضغوطًا داخليّة. هدفت الدراسة إلى معرفة ما إذا كان من الممكن طباعة Fe–45Ni بطريقة تتجنّب هذه المشكلات مع الحفاظ على مزيجها الخاص من القوة المغناطيسية والثبات البُعدي.

كيف تُطبع السبيكة وتُفحص

بدأ الباحثون بمسحوق كروي من Fe–45Ni مُنتَج بتفتيت غازي، اختير بسبب انسيابيته الجيدة في الطابعة. استخدموا آلة تجارية للتصفيح بالليزر على فراش المسحوق لبناء مكعبات صغيرة قياس 7×7×7 مم بنمط مسح شطرنجي، وغيّروا قدرة الليزر وسرعة المسح مع تثبيت سماكة الطبقة ومسافة الخطوط. بعد الطباعة، قَطَعوا وصقّلوا المكعبات وفحصوها بمجاهر بصرية وإلكترونية لقياس الكثافة وتحديد المسام والتشققات. كما استخدموا حيود الأشعة السينية لتحديد البنية البلورية، ومجاهر متقدمة لرسم أشكال الحبيبات واتجاهاتها. وأخيرًا اختبروا السلوك المغناطيسي على اتجاهات مختلفة وقياس مقدار تمدد السبيكة عند التسخين من درجة حرارة الغرفة حتى 500 °م.

إيجاد نطاق الإعدادات المثلى للطباعة

وجدت الدراسة أن كلًّا من طاقة الليزر القليلة جدًا أو الكبيرة جدًا يمكن أن تضر بجودة السبيكة. عند قدرة ليزر منخفضة أو سرعة مسح عالية جدًا، لا تندمج طبقات المعدن تمامًا، مما ينتج فراغات غير منتظمة وتشققًا حراريًا أحيانًا. عند طاقة عالية جدًا، يصبح الغاز المحبوس في المسحوق الأصلي أو المتكوّن أثناء الذوبان مختومًا داخل مسام دائرية. بموازنة قدرة الليزر وسرعة المسح بعناية، حقق الفريق كثافة نسبية عالية جدًا تبلغ حوالي 99.3% عند 85 واط و300 مم/ثانية، متبقيًا مع مسام دقيقة ومتفرقة فقط. في هذه الظروف الأفضل، تكون البنية الداخلية مكونة أساسًا من حبيبات عمودية متراصة تنمو على طول اتجاه البناء، متداخلة مع بعض الحبيبات الصغيرة الأكثر كتلة. هذا النمط الحجمي للحبيبات، الناتج عن تدفق الحرارة أثناء التصلب، تبين أنه مهم لاستجابة السبيكة المغناطيسية.

القوة المغناطيسية والثبات الحراري

عند قياس المغناطيسية على طول وعرض اتجاه البناء، وجد الفريق أن Fe–45Ni المطبوعة تصرّف كمغناطيس ناعم في كلا الاتجاهين — يسهل مغنطته ويفقد معظم مغناطيسيته عند إزالة الحقل. ومع ذلك، لم تكن الاستجابة متساوية في كل الاتجاهات. على طول اتجاه البناء، أظهر المادة نفاذية أعلى (تغنط أكثر بسهولة) ومعاوقة أقل (حقل أقل مطلوب لعكس المغنطة). عبر اتجاه البناء، تطلب الأمر مجالًا أكبر على الأرجح لأن المسام وعيوب الحبيبات والضغوط المتبقية تعيق حركة جدران المجالات المغناطيسية. بالرغم من هذه العيوب، كان إشباع المغنطة الأقصى للسبيكة عاليًا، مدعومًا بمحتواها الكبير نسبيًا من الحديد. أظهرت الاختبارات الحرارية أنه بين درجة حرارة الغرفة وحتى نحو 400 °م، ظل التمدد في السبيكة صغيرًا جدًا وشبه متساوٍ في الاتجاهات المختلفة، مع معامل يقارب 6×10⁻⁶ لكل درجة مئوية — قريب من سلوك ما يُسمى إنفار. وفقط فوق نحو 415 °م، قرب درجة كوري التي تتلاشى عندها المغناطيسية، بدأت السبيكة تتوسع بسرعة أكبر.

ماذا يعني هذا للاستخدامات الواقعية

بعبارة بسيطة، يُظهر المؤلفون أن Fe–45Ni يمكن طباعتها ثلاثية الأبعاد إلى أجزاء كثيفة وخالية من التشققات تحافظ على أبعادها تقريبًا عند التسخين والتبريد، بينما تظل أيضًا مغناطيسية قوية وسهلة التحكم. من خلال ضبط إعدادات الليزر المناسبة، يقللون العيوب ويشكّلون البنية الحبيبية الداخلية بحيث يصبح اتجاه البناء الطريق الأسهل للمغنطة. تجعل هذه الخواص السبيكة المطبوعة مرشحًا قويًا لمكونات دقيقة في مجالات الفضاء الجوي والتقنيات المتقدمة الأخرى حيث تكون كل من الأداء المغناطيسي والثبات البُعدي أمرًا حاسمًا.

الاستشهاد: Sim, N., Jung, H.Y. & Lee, KA. Characterization of the microstructural, magnetic, and thermal properties of Fe–45Ni fabricated by laser powder bed fusion. Sci Rep 16, 8049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37507-w

الكلمات المفتاحية: سبائك Fe–Ni, التصفيح بالليزر على فراش المسحوق, مواد مغناطيسية لينة, انكماش حراري منخفض, التصنيع الإضافي