أخبار كبيرة! إنجاز مشترك من إنجما، وجامعة نانجينغ للعلوم والتكنولوجيا، والجامعة الوطنية في لشبونة: تحسّن الهياكل المسننة المستوحاة من الطبيعة القوة التآزرية والمطيلية لمعدن إنكونيل 625 المُصنَّع بتقنية CMT-WAAM.

تقليديًّا، غالبًا ما تواجه سبيكة إنكونيل ٦٢٥ المُصنَّعة باستخدام تقنية اللحام التلقائي بالقوس المعدني مع التغذية الباردة (CMT-WAAM) تحديات مثل عدم انتظام البنية المجهرية، وتركيز الإجهاد المحلي، وصعوبة تحقيق مقاومة عالية ومرونة جيدة في الوقت نفسه. وللتغلب على هذه التحديات، اقترح فريق بحثي من جامعة نانجينغ للعلوم والتكنولوجيا استراتيجية تصميم هيكل مسنَّن مستوحاة من الطبيعة. وبفضل التحكم التآزري في كلٍّ من الشكل الهندسي والخصائص المجهرية، يحسِّن هذا النهج أداء المادة ليُحقِّق تشوهًا متجانسًا.

واستنادًا إلى خلفية البحث المذكورة أعلاه، نشر فريق بحثي تعاوني من جامعة نانجينغ للعلوم والتكنولوجيا، بالشراكة مع جامعتي لشبونة (البرتغال) وشركة إنجما، ورقة بحثية حديثة بعنوان: «تعزيز التآزر بين المقاومة والمرونة في سبيكة إنكونيل ٦٢٥ المُصنَّعة باستخدام تقنية اللحام التلقائي بالقوس المعدني مع التغذية الباردة (CMT-WAAM) عبر هيكل غير متجانس مسنَّن مستوحى من الطبيعة» في المجلة الدولية «علوم المواد وهندستها - الجزء أ» (Materials Science & Engineering A). https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464في هذه الدراسة، تُعتبر الدكتورة شن جياجيا والطالب الماجستير هان يانجون من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة نانجينغ للعلوم والتكنولوجيا المؤلفَيْن الأولَيْن المشترَكَيْن؛ أما الأساتذة وانغ كهونغ، وتشانغ يونغ (اللذان ينتميان أيضًا إلى نفس الكلية)، والأستاذ جواو بييدرو أوليفيليا من جامعة لشبونة، فهم المؤلفون المراسلون المشتركون. وتوضّح هذه الدراسة بشكل منهجي الآلية التي يعزِّز بها الهيكل غير المتجانس على شكل زِيغْزَاغ، المستوحى من الطبيعة، التآزر بين القوة والمطيلية في سبيكة إنكونيل ٦٢٥ المُصنَّعة بتقنية CMT-WAAM.

١. الخلفية البحثية وأهميتها

تجمع تقنية CMT-WAAM بين انخفاض مدخلات الحرارة المميِّزة لعمليات النقل البارد للمعادن (CMT) وكفاءة الترسيب العالية المميِّزة لتكنولوجيا التصنيع الإضافي باللحام القوسي للمعادن (WAAM)، ما يجعلها مثالية لتصنيع المكونات المعدنية الكبيرة الحجم بسرعة. ولسبيكات النيكل مثل إنكونيل ٦٢٥، توفِّر هذه التقنية مزايا كبيرةً في تحسين كفاءة التصنيع وتخفيض تكاليف الإنتاج.

ومع ذلك، في التصنيع الفعلي، تؤثر دورات الحرارة المتعددة أثناء عملية الترسيب، وإعادة صهر الطبقات البينية، وتخطيط المسار بشكل جماعي على شكل الحبيبات، والتوجّه البلوري، وتوزيع الإجهاد/الانفعال المحلي. وغالبًا ما يصعب تحقيق كلٍّ من القوة العالية والليونة العالية معًا عند الاعتماد فقط على تحسين معايير العملية التقليدية. ولذلك، أصبح التنظيم والتحكم النشطان في سلوك تشوه المادة عبر تصميم البنية المجهرية نهجًا مهمًّا لتعزيز الأداء الكلي للسبيكات المُصنَّعة باستخدام تقنية اللحام بالقوس المعدني مع إضافات (WAAM).

الهياكل الهرمية في الطبيعة، مثل قواقع البحر والعظام والinterfaces المسننة، تحقق غالبًا مقاومة ممتازة للتلف من خلال آليات مثل «القفل الهندسي، وتوزيع التشوه، وانحراف الشقوق». واستلهامًا من فلسفة التصميم المستوحاة من الطبيعة هذه، يُنشئ هذا البحث هندسةً متعرجةً في سبيكة إنكونيل 625 المُصنَّعة بتقنية اللحام الإضافي بالقوس المعدني مع التحكم في الترطيب (CMT-WAAM)، ما يوفِّر نهج تصميم دقيق جديد لتعزيز كلٍّ من القوة والمطيلية في السبائك المُصنَّعة إضافيًّا في وقت واحد.

الشكل ١: مخطط لمفهوم التصميم الهيكلي المتعرج المستوحى من الطبيعة

٢. التفاصيل التجريبية

في هذه الدراسة، تم إيداع عيّنات سبيكة إنكونيل 625 باستخدام عملية اللحام الإضافي بالقوس المعدني مع التحكم في الترطيب (CMT-WAAM)، وتم إنشاء هيكل مسنن ذي اضطرابات مكانية عبر تخطيط مسار الأداة. ويؤدي هذا النهج إلى إلغاء واجهة الالتحام المسطحة الوحيدة بين الطبقات، بدلًا من ذلك يشكّل وحدات هيكلية قابلة للتحكم على كلا المستويين: الهندسي الكلي والبنية المجهرية.

للكشف الشامل عن تأثير التصميم الهيكلي على البنية المجهرية وخصائص سبيكة إنكونيل ٦٢٥، تعتمد هذه الدراسة منهجية توصيف متعددة المقاييس: حيث يتم تحليل تطور البنية المجهرية باستخدام تقنيات مثل الميكروسكوب الضوئي والميكروسكوب الإلكتروني الماسح والحيود الإلكتروني بالانعكاس الخلفي؛ وتُقيَّم الخصائص الميكانيكية من خلال اختبار الشد وتحليل الصور المجهرية لكسر العينة؛ وبدمج الاختلافات في التوجّه المحلي وهياكل العيوب (الانزلاقات) وخصائص التشوه، يُوضَّح بشكل أعمق الآلية الكامنة وراء التحسين التآزري للقوة والليونة في هذه المادة.

الشكل ٢: استراتيجية الترسيب

٣. النتائج والمناقشة

٣.١ بناء البنية المتعرجة المستوحاة من الطبيعة

مقارنةً بالهياكل المستقيمة التقليدية أو الهياكل ذات الطبقات المتجانسة، يُدخل الهيكل المتعرج منعطفات دورية وتقلبات في الواجهات من حيث الهندسة، ما يؤدي إلى إنشاء مناطق تختلف فيها استجابات التشوه المحلية داخل المادة. وتحت تأثير الحمل الشدّي، تحدث قيود متبادلة وتشوه تعاوني بين هذه المناطق المختلفة، مما يساعد على توزيع تركيزات الإجهاد المحلي.

تكمن أهمية هذا التصميم الهيكلي ليس فقط في تعديل مسار الترسيب، بل في التنظيم المشترك لنمط التشوه من خلال الاختلافات المجهرية في البنية الناتجة عن المسار والتقلبات الهندسية. وبهذه الطريقة، يمكن للمادة أن تحقق سلوك تصلب تحت الإجهاد أكثر استقرارًا مع الحفاظ على قدرتها الكلية على تحمل الأحمال.

٣.٢ الخصائص المجهرية

يكشف تحليل البنية المجهرية أن مدخلات الحرارة وإعادة صهر الطبقات والاختلافات في المسار أثناء عملية التصنيع الإضافي باللحام القوسي باستخدام تقنية CMT-WAAM تؤثر جميعها بشكل جماعي على شكل الحبيبات وتوزيع البنية المجهرية المحلية. وتوفر الاختلافات البنائية المجهرية في المناطق ذات الهيكل المتموج أساسًا للتشوه، ما يتيح توزيعًا أكثر ثراءً للانفعال وتراكمًا أكبر للعُوَّاد أثناء عملية التشوه.

تجدر الإشارة إلى أن الهيكل المتموج لا يعني بالضرورة إدخال واجهات ضعيفة. ويمكن لهيكل الواجهة المتموج المصمم تصميمًا سليمًا أن يعزز قدرة نقل الحمل من خلال الارتكاز الهندسي والاستمرارية البنائية المجهرية، وبالتالي يقلل من خطر الفشل المبكر عند الواجهة.

الشكل ٣: مخطط توضيحي للخصائص البنائية المجهرية في الهيكل المتموج المستوحى من الطبيعة

٣.٣ الخصائص الميكانيكية عند درجة حرارة الغرفة

تُظهر اختبارات الخصائص الميكانيكية أن البنية الزِّيغزاغ المستوحاة من الطبيعة تحسّن فعّالياً التآزر بين القوة والليونة في مادة إنكونيل ٦٢٥ المُصنَّعة بتقنية CMT-WAAM. وبالمقارنة مع البنية الموحَّدة التقليدية، فإن البنية الزِّيغزاغية تؤخِّر عدم الاستقرار البلاستيكي من خلال تعزيز التنسيق المحلي للانفعال وقدرة التصلب الناتج عن التشويه، وبالتالي تحقِّق خصائص ميكانيكية شاملة متفوِّقة.

يُشكِّل التحسين التآزري للقوة والليونة محور الابتكار الرئيسي في هذه الدراسة. وخلال التشويه الشدّي، يمكن للبنية الزِّيغزاغية أن تغيِّر مسار تطور الانفعال، مما يسمح لمناطق مختلفة داخل المادة بالمشاركة المشتركة في التشويه البلاستيكي، وبالتالي تجنُّب تركُّز التلف المبكر في مناطق محلية محددة.

الشكل ٤: التحسين التآزري للقوة والليونة في مادة إنكونيل ٦٢٥ المُصنَّعة بتقنية CMT-WAAM

٣.٤ آلية التشويه

يُظهر تحليل الآلية أن الهيكل المتعرج يمكنه إحداث توزيع أكثر تعقيدًا للإجهاد المحلي وتعزيز التشوه التعاوني بين المناطق اللينة والصلبة داخل الهيكل المتعرج. وخلال التشوه، تحدث قيود متبادلة بين المناطق ذات التموج الهندسي والمناطق المجاورة ذات البنية المجهرية، مما يسهّل تراكم الانزلاقات، وتعزيز الإجهاد العكسي، وقدرة التصلب بالتشويه المحسَّنة.

وتتيح هذه الآلية للمادة ألا تعتمد بعد الآن على التشوه البلاستيكي المنتظم وحده عند الخضوع لأحمال خارجية، بل تتكيف مع التشوه من خلال التعاون التآزري بين عدة مناطق. ونتيجةً لذلك، تحافظ المادة على مطيلية جيدة مع تحقيق زيادة في القوة، ما يوفّر أساسًا مهمًّا للتصميم المتكامل للبنية والخصائص في سبائك النيكل المُصنَّعة بتقنية CMT-WAAM.

الشكل ٥: مخطط توضيحي لآلية الهيكل المتعرج المستوحى من الطبيعة في تنظيم السلوك التشوهِي

٤. الاستنتاج

تُقدِّم هذه الدراسة مفهوم التصميم الهيكلي المستوحى من الطبيعة في تصنيع سبيكة إنكونيل ٦٢٥ باستخدام تقنية اللحام الإضافي بالقوس المعدني مع التغذية السلكية (CMT-WAAM)، وتطرح استراتيجيةً جديدةً لتعزيز التآزر بين القوة والمطيلية عبر هيكل مسنَّن. وتفترق هذه الاستراتيجية عن النهج التقليدي الذي يعتمد حصريًّا على تحسين معايير العملية، وتركِّز بدلًا من ذلك على التحكم الفعّال في سلوك تشوه المادة من خلال تصميم الوحدات الهيكلية.

وتشير نتائج البحث إلى أن الهيكل المسنَّن يمكنه تحسين توزيع الانفعال المحلي، وتعزيز القدرة على التشوه المتناسق بين المناطق المختلفة، وزيادة قدرة المادة على التصلُّب أثناء التشغيل. وتساعد هذه الآلية في التخفيف من مشكلة تركُّز الانفعال الموضعي الشائعة في السبائك المصنَّعة إضافيًّا، مما يؤدي إلى تحقيق توازنٍ أفضل بين القوة والمطيلية.

هذه الإنجازات لا تُثرِي فقط البحثَ المتعلق بآليات تقوية سبائك النيكل المُصنَّعة بتقنية اللحام الإضافي بالقوس الكهربائي (WAAM)، بل توفر أيضًا أفكار تصميم جديدة ومراجع فنية لتصنيع مكونات معدنية عالية الأداء، خاصةً في مجالات الطيران والفضاء والمعدات энергية والمكونات المعدنية الكبيرة المعقدة.

٥. رابط الورقة البحثية

عنوان الورقة البحثية: تعزيز التكامل بين القوة والمرونة في سبيكة إنكونيل ٦٢٥ المُصنَّعة بتقنية اللحام الإضافي بالقوس الكهربائي باستخدام طريقة الترسيب بالتنقيط (CMT-WAAM) عبر هيكل هيترو-زِغزاغ مستوحى من الطبيعة

المجلة: علوم المواد وهندسة المواد - الجزء أ

المؤلفون: يي. جي. هان، جي. جي. شن، بي. إتش. تشانغ، إس. يي. يوان، وو. دونغ، يي. تشنغ، لي. لي. وو، يي. بينغ، جي. بي. أوليفيرا، يي. تشانغ، كي. إتش. وانغ

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464