ข่าวด่วน! ความสำเร็จร่วมกันของ Enigma และมหาวิทยาลัยโนวาแห่งลิสบอน: การปรับปรุงเส้นทางเพิ่มประสิทธิภาพ ช่วยเพิ่มสมรรถนะของ Inconel 625 ที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูง

ในฐานะของเทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มประสิทธิภาพที่กำลังเป็นที่นิยมใหม่ DED (Direct Electric Discharge) ได้แสดงถึงข้อดีที่เป็นเอกลักษณ์ในการผลิตโลหะผสม Inconel 625 ด้วยประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ และความสามารถในการผลิตชิ้นงานขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตามกระบวนการ DED แบบดั้งเดิมมักนำไปสู่โครงสร้างผลึกแบบคอลัมน์ (columnar crystalline structure) ที่มีทิศทาง <001> ชัดเจน ซึ่งทำให้เกิดความยากในการบรรลุสมบัติทั้งความแข็งแรงและแรงดึง (ductility) ที่เหมาะสมในวัสดุ

I. บริบทและความสำคัญของการวิจัย

มีการศึกษาล่าสุดพบว่า การเพิ่มความหนาแน่นพลังงานเชิงเส้น (LED) สามารถปรับปรุงสมบัติของโลหะผสม Inconel 625 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการเปลี่ยนโครงสร้างเกรนแบบคอลัมน์ให้กลายเป็นเกรนที่เกือบเท่ากันทุกทิศทาง อย่างไรก็ตาม กลไกเฉพาะเจาะจงของการเปลี่ยนแปลงเส้นทางการพิมพ์ยังไม่ชัดเจน นอกจากนี้ ลักษณะเฉพาะของพื้นผิวรอยต่อระหว่างชั้นในกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อสาร (Additive Manufacturing) มีอิทธิพลอย่างมากต่อสมบัติเชิงกลของวัสดุ โดยเฉพาะภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง ซึ่งอาจนำไปสู่การรวมตัวของแรงดึงที่บริเวณรอยต่อและทำให้วัสดุเกิดการแตกหักก่อนเวลา ดังนั้น การศึกษาถึงกลไกที่เกิดขึ้นจากพื้นผิวรอยต่อระหว่างชั้นที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน มีความสำคัญอย่างมากในการปรับปรุงกระบวนการทำงาน และเพิ่มสมบัติของวัสดุ .

จากพื้นฐานการวิจัยดังกล่าว Enigma ร่วมมือกับทีมจาก Technology และ NOVA University Lisbon ประเทศโปรตุเกส เพื่อเผยแพร่ผลงานวิจัยล่าสุดในวารสาร Materials Research Letters โดยมีชื่อบทความว่า “ คุณสมบัติทางกลและการกลไกการเปลี่ยนรูปที่ดีขึ้น s ใน DED Inconel 625 ผ่านการสลับเส้นทางการพิมพ์ ทำการศึกษาอย่างเป็นระบบถึงอิทธิพลของการออกแบบเส้นทางการพิมพ์ต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ

แหล่งที่มา [1]

II. วิธีการทดลอง

การศึกษานี้ใช้เทคโนโลยี DED แบบ Cold Metal Transfer (CMT) เพื่อผลิตตัวอย่างโลหะผสม Inconel 625 ภายใต้บรรยากาศป้องกันด้วยแก๊สผสม 70% Ar + 30% He เพื่อให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือของผลการทดลอง ทีมวิจัยได้ปรับแต่งพารามิเตอร์กระบวนการหลัก ได้แก่ กระแสไฟฟ้า 116 A ความเร็วในการป้อนลวด 4.6 m/min และความหนาแน่นพลังงานเส้น 140 J/mm ใช้กลยุทธ์เส้นทางหมุนรอบระหว่างชั้นที่ 90° เพื่อเตรียมตัวอย่างทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. และยาว 100 มม.

แหล่งที่มา [1]

เพื่อทำวิเคราะห์คุณสมบัติวัสดุอย่างครอบคลุม จึงได้ใช้วิธีการวิเคราะห์หลายระดับ : การพัฒนาโครงสร้างจุลภาคถูกวิเคราะห์โดยใช้ระบบ XRD, OM, SEM-EBSD และ TEM; คุณสมบัติเชิงกลถูกประเมินโดยใช้การทดสอบความแข็งแบบไมโครและทดลองดึงที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูง (400-850°C)

III. ผลลัพธ์และการอภิปราย

3.1 คุณลักษณะโครงสร้างจุลภาค

การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคเผยให้เห็นอิทธิพลสำคัญของการออกแบบเส้นทางการพิมพ์ เมื่อเทียบกับตัวอย่างเส้นทาง 0° แบบดั้งเดิม ตัวอย่างที่เตรียมโดยใช้การเปลี่ยนเส้นทางแบบ 90° มีคุณสมบัติของผลึกที่เกือบไอโซโทรปิก (near-isotropic) ซึ่งไม่เหมือนใคร: ความยาวเฉลี่ยของเกรนอยู่ที่ 527 ± 5 ไมครอน ความกว้างอยู่ที่ 172 ± 7 ไมครอน (อัตราส่วนความยาวต่อความกว้าง 3.06) และบริเวณเกรนละเอียด (37 ± 2 ไมครอน) เกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อชั้น การวิเคราะห์ด้วย XRD ยืนยันว่าตัวอย่างมีโครงสร้างเฟสเดียวแบบลูกบาศก์หน้าครบ (face-centered cubic structure)

แหล่งที่มา [1]

งานวิจัยได้ยืนยันแล้วว่า การใช้แสง LED สูงร่วมกับการเปลี่ยนเส้นทางสามารถลดความชันของอุณหภูมิในบ่อหลอมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ยับยั้งการเติบโตแบบผลึกเชิงเดี่ยว (columnar crystal) และส่งเสริมการเกิดผลึกแบบอีเคว็กซ์ (equiaxed crystal) โดยการเพิ่มความลึกของการหลอมซ้ำและจัดหาตำแหน่งใหม่สำหรับการเกิดผลึก ดังนั้นจึงปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ กระบวนการผสมผสานนี้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากผลึกเชิงเดี่ยวไปเป็นผลึกแบบอีเคว็กซ์

3.2 คุณสมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิห้อง

การทดสอบคุณสมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิห้องแสดงให้เห็นว่า ตัวอย่าง Inconel 625 ที่เตรียมโดยใช้เส้นทางการพิมพ์แบบ 90° มีสมบัติความแข็งแรงและความเหนียวที่สมดุลเป็นเลิศ โดยมีความแข็งแรงคราก (yield strength) เท่ากับ 401 ± 12 MPa ความแข็งแรงดึง (tensile strength) เท่ากับ 724 ± 5 MPa และค่าความยืดตัว (elongation) เท่ากับ 57 ± 5% .วัสดุแสดงพฤติกรรมการเกิดงานแข็งขึ้นแบบสามช่วงปกติ โดยเฉพาะมีความสามารถในการเกิดงานแข็งที่เพิ่มขึ้นในช่วงแรงดึง (strain) 8–25% ส่งผลให้ได้ค่าผลคูณระหว่างความเหนียวและความแข็งแรงสูงถึง 41.3 GPa*% ซึ่งสูงกว่าวัสดุโลหะผสมแบบรีดร้อนแบบดั้งเดิมอย่างชัดเจน (32.1 GPa*%)

แหล่งที่มา [1]

การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคแสดงให้เห็นว่า ตัวอย่างที่มีลักษณะเม็ดใกล้เคียงกัน (near-equiaxed) มีขนาดเกรนที่ใหญ่กว่า (232 ± 16 ไมครอน เมื่อเทียบกับตัวอย่างรีดร้อนที่มีขนาด < 130 ไมครอน) และสมรรถนะที่เหนือกว่าของมันเกิดจากสองปัจจัยหลัก ได้แก่ ประการแรกคือบทบาทสำคัญของการเสริมความแข็งแรงด้วยข้อบกพร่องเชิงเส้น (dislocation strengthening) และประการที่สองคือกลไกการเปลี่ยนรูปร่างที่เป็นเอกลักษณ์ การวิเคราะห์ระดับจุลภาคเผยให้เห็นว่า ในขณะเกิดการเปลี่ยนรูปร่าง วัสดุจะก่อตัวเป็นกำแพงข้อบกพร่องความหนาแน่นสูงและโครงสร้างข้อบกพร่องล็อก คุณสมบัติโครงสร้างจุลภาคนี้สามารถป้องกันการเคลื่อนที่ของข้อบกพร่องได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงช่วยเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ . ที่สำคัญไปกว่านั้น ไม่พบปรากฏการณ์ความเข้มข้นของแรงที่บริเวณรอยต่อระหว่างชั้น และรอยร้าวมักเกิดขึ้นภายในขอบเกรน ซึ่งยืนยันว่าอินเทอร์เฟสที่เกิดจากเส้นทางการพิมพ์ไม่มีผลต่อสมบัติของวัสดุ . กลไกการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะนี้ ร่วมกับอินเทอร์เฟสที่สมบูรณ์แข็งแรง ทำหน้าที่เสริมสร้างคุณสมบัติเชิงกลแบบองค์รวมที่ยอดเยี่ยมของวัสดุ

3.3 สมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิสูง

การทดสอบสมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิสูงได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับตัวที่ยอดเยี่ยมที่อุณหภูมิสูงของโลหะผสมอินโคเนล 625 ที่เกือบไอโซโทรปิก งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าในช่วงอุณหภูมิกว้างระหว่าง 400–850°C สมบัติความแข็งแรงของวัสดุนี้มีค่าเหนือกว่าวัสดุโลหะผสมหล่อแบบดั้งเดิมอย่างสม่ำเสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การยืดตัวยังคงอยู่ในระดับที่สูงกว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า 700°C โดยจะลดลงเพียงเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิเกิน 700°C ผลการวิเคราะห์ลักษณะการแตกหัก พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการแตกหักขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ชัดเจน: ที่อุณหภูมิ 600°C พื้นที่แตกหักแสดงลักษณะการแตกแบบไคแกรมูลาร์ (intergranular ductile fracture) แบบคลาสสิก โดยพื้นผิวของรอยแตกมีหลุมบุ๋มขนาดเล็กแบบดักไทล์ (ductile dimples) กระจายอย่างสม่ำเสมอ; ในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 750°C ถึง 800°C รูปแบบการแตกหักเปลี่ยนไปเป็นการแตกแบบไคแกรมูลาร์ (intergranular fracture) ซึ่งแสดงลักษณะการแตกแบบเปราะ (brittle fracture) อย่างชัดเจน; เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 850°C พื้นผิวของรอยแตกจะแสดงลักษณะการแตกแบบผสมผสานที่ประกอบด้วยทั้งหลุมบุ๋มแบบดักไทล์และพื้นที่แตกแบบเปราะ

แหล่งที่มา [1]

Iv. สรุป

การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงอิทธิพลสำคัญของรูปแบบเส้นทางการพิมพ์ต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของโลหะผสมอินโคเนล 625 โดยการใช้กลยุทธ์การพิมพ์ที่ให้พลังงานสูงร่วมกับการหมุนชั้นวัสดุ 90° ระหว่างชั้นต่อชั้น ทำให้สามารถเปลี่ยนโครงสร้างเกรนแบบคอลัมนาร์ (columnar grain) ดั้งเดิมไปเป็นโครงสร้างเกรนที่สม่ำเสมอและเกือบเป็นแบบอีควิแอ็กซ์ (near-equiaxed grain) จากการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคขั้นสูง พบว่าโครงสร้างที่ไม่ซ้ำใครนี้มีลักษณะการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน (dislocation motion) ที่แตกต่างกันในระหว่างการเกิดการเปลี่ยนรูป: นอกจากจะเกิดการเลื่อนตัวแบบระนาบ (planar slip) แล้ว ยังมีการก่อตัวของผนังดิสโลเคชันความหนาแน่นสูง และโครงสร้างดิสโลเคชันล็อกแบบพิเศษ ปฏิกิริยาเชิงกลไกที่ทำงานร่วมกันของโครงสร้างจุลภาคนี้ มอบสมบัติทั้งความแข็งแรงและความเหนียวได้อย่างยอดเยี่ยม

น่าสังเกตว่าโซนเกรนขนาดเล็กที่เกิดขึ้นระหว่างการพิมพ์ที่รอยต่อระหว่างชั้นนั้น ไม่เพียงแต่ไม่ลดสมบัติของวัสดุ แต่กลับช่วยเสริมประสิทธิภาพของวัสดุ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างผลึกแบบใกล้สมมาตรที่ได้รับการปรับปรุงนี้มีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมในช่วงอุณหภูมิกว้างตั้งแต่อุณหภูมิห้องไปจนถึงอุณหภูมิสูง การค้นพบครั้งนี้ได้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับกระบวนการสำหรับการผลิตแบบเติมสารประสิทธิภาพสูงของชิ้นส่วนสำคัญในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและสาขาอื่น ๆ แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวาง

ลิงก์บทความ ：

[1] https:\/\/doi.org\/10.1080\/21663831.2025.2476174