این تجربه ارزشمند در پردازش آلیاژ تنگستن است

آلیاژهای تنگستن قطعا در لیست "مواد کابوس" مهندسان قرار دارند. چگالی و سختی بالای آن‌ها چالش‌های پردازشی قابل توجهی را ایجاد می‌کند و باعث می‌شود هر مرحله مانند یک نبرد سخت به نظر برسد. چگونه می توان این ماده دشوار را از ماده خام به محصول نهایی با کارایی بالا تبدیل کرد؟

نگران نباشید، این "سلاح مخفی" ارزشمند اینجاست! این مقاله فرآیند را از همان ابتدای آماده‌سازی مواد خام، مقایسه مزایا و معایب متالورژی پودر و پرینت سه‌بعدی، جزئیات تکنیک‌های اصلی برش، آسیاب و برش سیم، و معرفی یک فناوری پیشرفته{{1} که می‌تواند به شما کمک کند تا با نصف تلاش خود به دو برابر نتایج دست یابید، به دست آورید. تولید

PART.01

مقدمه

آلیاژهای تنگستن، به عنوان یک ماده آلیاژی با تنگستن به عنوان جزء اصلی (محتوای تنگستن معمولاً 85٪ تا 99٪ را تشکیل می دهد) و عناصر اضافه شده مانند نیکل، آهن، مس، کبالت، مولیبدن و کروم، نقش مهمی در بسیاری از زمینه های{2}}فناوری بالا مانند صنعت هسته ای، صنایع نظامی و مراقبت های پزشکی بسیار بالا (1.60.5) دارند. g/cm3)، نقطه ذوب بالا و مقاومت مکانیکی عالی [1]. در زمینه پزشکی، آلیاژهای تنگستن برای ساخت اجزای کلیدی تجهیزات رادیوتراپی استفاده می شود. با توجه به ویژگی‌های چگالی بالا، می‌توانند به طور دقیق پرتوها را مسدود کرده و شکل دهند و مواد اصلی برای ساخت کولیماتورها و سپرهای تشعشعی هستند[2]. این خواص عالی همچنین مشکلات زیادی را برای پردازش و ساخت آلیاژهای تنگستن به همراه دارد. هدف این مقاله بررسی سیستماتیک و عمیق فرآیند آماده‌سازی و روش‌های پردازش متداول قطعات آلیاژ تنگستن و ارائه مرجع ارزشمند برای ساخت دقیق آن‌ها است.

PART.02

فرآیند آماده سازی قطعات آلیاژ تنگستن

2.1 فناوری متالورژی پودر

ساخت آلیاژهای تنگستن با استفاده از فرآیندهای ذوب و آماده سازی آلیاژ معمولی به دلیل چگالی بالا، نقطه ذوب بالا و سختی بالا دشوار است. متالورژی پودر یک روش سنتی و پرکاربرد برای تهیه بلنک های آلیاژ تنگستن است. فرآیندهای کلیدی آن در شکل 1 نشان داده شده است، از جمله آماده سازی پودر تنگستن، اختلاط، تشکیل و تف جوشی [3]. در فرآیند تهیه پودر تنگستن، به منظور اطمینان از خلوص پودر تنگستن، اغلب از فرآیندهایی مانند کاهش هیدروژن و کاهش تنگستات آمونیاک استفاده می شود. در عین حال، محتوای اکسیژن، اندازه ذرات و شکل پودر تنگستن تأثیر قابل توجهی بر عملکرد نهایی و کیفیت آلیاژ دارد و باید به شدت کنترل شود. محتوای بیش از حد اکسیژن عملکرد آلیاژ را کاهش می دهد، در حالی که اندازه و شکل ذرات بر تأثیر فرآیندهای اختلاط و شکل گیری بعدی تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، پودر تنگستن با اندازه ذرات یکنواخت به مخلوط شدن یکنواخت تر با سایر پودرهای فلزی در حین اختلاط کمک می کند و از قوام ترکیب آلیاژ اطمینان حاصل می کند. در طول فرآیند اختلاط، لازم است اطمینان حاصل شود که اندازه ذرات مختلف پودر فلز یکنواخت و نسبت دقیق است. هم زدن مکانیکی، آسیاب گلوله ای و سایر روش ها اغلب برای اختلاط دقیق استفاده می شود. روش های شکل دهی شامل پرس ایزواستاتیک سرد، پرس قالب، شکل دهی اکستروژن پودر و شکل دهی تزریق پودر و ... می باشد که این روش ها می توانند قطعاتی با اشکال پیچیده تولید کنند.

شکل 1 فرآیندهای کلیدی متالورژی پودر برای آلیاژهای تنگستن

فرآیند تف جوشی کلید اطمینان از دستیابی آلیاژ تنگستن به چگالی، استحکام و سایر خواص مورد نیاز است. زینترینگ دو مرحله‌ای [4] به طور گسترده استفاده می‌شود: مرحله قبل از پخت معمولاً دمای 1000-1200 درجه را کنترل می‌کند. در این محدوده دمایی، فلزات با نقطه ذوب پایین مانند مس و آهن به حالت مایع می‌رسند و با ذرات پودر تنگستن اطراف پخش می‌شوند و موقعیت ذرات پودر آلیاژ تنگستن را ثابت می‌کنند و آنها را به طور یکنواخت پر می‌کنند، بنابراین به شکل خالی می‌رسند. مرحله بعدی مرحله پخت{11}}در دمای بالا است، که در آن واکنش‌های فاز جامد و فاز مایع{15}} بین ذرات پودر رخ می‌دهد و در نهایت یک ساختار آلیاژ تنگستن متراکم را تشکیل می‌دهد. کنترل دما و زمان پخت نقش تعیین کننده ای در عملکرد محصول دارد. اگر زمان پخت بیش از حد طولانی باشد، اندازه کریستال تنگستن افزایش می‌یابد و بر چگالی و عملکرد کلی آلیاژ تأثیر می‌گذارد. اگر دما خیلی زیاد باشد، باعث تبخیر شدن فلزات با نقطه ذوب پایین-مثل مس و آهن می‌شود و چگالی و مقاومت مکانیکی آلیاژ را کاهش می‌دهد. دمای تف جوشی معمولاً در حدود 1400 درجه کنترل می‌شود و پخت قبل از پخت و پخت{21}در دمای بالا معمولاً در محیط خلاء یا گاز خنثی انجام می‌شود تا اکسیداسیون و تبخیر آلیاژهای با نقطه ذوب پایین کاهش یابد. یک فرآیند متداول این است که ابتدا پودر تنگستن تشکیل شده را در دمای 1200 درجه به مدت 1 ساعت در اتمسفر هیدروژنی قبل از{27} شلیک کنید تا استحکام و رسانایی خاصی به آن داده شود و سپس با استفاده از گرمای تولید شده توسط مقاومت خود ماده، پخت خود-مقاومتی را انجام دهید تا فرآیند تف جوشی بیشتر شود.

2.2 فرآیند تولید افزودنی

روش‌های متالورژی پودر سنتی فقط می‌توانند پرده‌هایی با اشکال نسبتاً منظم تولید کنند. برای قطعات آلیاژ تنگستن با ساختارهای پیچیده، به ویژه آنهایی که دارای حفره‌های پیچیده هستند، هنوز پس از شکل‌دهی خالی، پردازش پیچیده مورد نیاز است تا در نهایت نیازمندی‌های قطعه برآورده شود. در حال حاضر، هیچ روش موثر پردازش و شکل‌دهی برای حفره‌های داخلی بسته پیچیده وجود ندارد که طراحی قطعات آلیاژ تنگستن را محدود می‌کند. فناوری ساخت افزودنی راه حل جدیدی برای طراحی و ساخت قطعات آلیاژ تنگستن ارائه می دهد. فناوری‌های متداول تولید افزودنی‌های فلزی شامل ذوب لیزری انتخابی (SLM)، شکل‌دهی لیزری (LSF)، تولید افزودنی قوس الکتریکی (WAAM)، ذوب لیزر انتخابی بستر پودری (L-PBF) و رسوب انرژی جهت لیزر (L{5}}DED) [5، 6] است. مقایسه مزایا و معایب فرآیندهای مختلف تولید افزودنی برای ساخت قطعات آلیاژ تنگستن در جدول 1 نشان داده شده است. SLM می تواند قطعاتی با هندسه پیچیده تولید کند، اما مشکلاتی مانند سطح ناهموار، تنش پسماند بین لایه ای بزرگ و اندازه قطعه محدود دارد و برای ساخت قطعات کوچک مناسب است. LSF می تواند ساختار ظریف، یکنواخت و متراکم را به دست آورد، خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی مواد را بهبود بخشد، اما زمانی که پارامترهای فرآیند مطابقت نداشته باشند، نقص هایی مانند همجوشی ضعیف در لایه رسوب داده شده به راحتی رخ می دهد. WAAM برای ساخت قطعات ساختاری فضایی یکپارچه در مقیاس بزرگ، با سرعت شکل‌دهی بالا و چگالی بالا، مناسب است، اما کیفیت سطح قطعات شکل‌دهی شده ضعیف است. یک قطعه معمولی آلیاژ تنگستن تولید شده با فناوری ساخت افزودنی در شکل 2 نشان داده شده است. در مقایسه با روش متالورژی پودر سنتی، ساخت افزودنی مزایای آشکاری در ساخت قطعات پیچیده آلیاژ تنگستن دارد. نه تنها می‌تواند قطعاتی با ساختارها و حفره‌های پیچیده را برای برآورده کردن الزامات طراحی خاص آماده کند، بلکه می‌تواند لایه را-از طریق{15}}لایه‌گذاری مواد، بهبود استفاده از مواد و کاهش هزینه‌ها[7] بشناسد. جدول 1. مقایسه مزایا و معایب قطعات آلیاژ تنگستن ساخته شده توسط فرآیندهای مختلف تولید افزودنی

الف) شبکه ضد-پراکندگی

ب) قطعات متخلخل

شکل 2. قطعات آلیاژ تنگستن معمولی تولید شده با استفاده از فناوری ساخت افزودنی

2.3 مقایسه و انتخاب فرآیند

متالورژی پودر و ساخت افزودنی در حال حاضر دو روش اصلی برای ساخت قطعات آلیاژ تنگستن هستند که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را در تهیه بلنک دارند. مقایسه فرآیندهای آماده سازی آلیاژ تنگستن در جدول 2 نشان داده شده است. متالورژی پودر نسبتاً بالغ تر است، موادی با چگالی بهتر تولید می کند و مزایایی در تولید انبوه پایدار ارائه می دهد. ساخت افزودنی فرآیند جدیدی است که در سال‌های اخیر با مسیرهای فرآیند مشتقات مختلف توسعه یافته است و در ساخت قطعات ساختاری با حفره‌های پیچیده دارای مزایایی است.

جدول 2. مقایسه فرآیندهای آماده سازی آلیاژ تنگستن

برای دنبال کردن عملکرد جامع‌تر، قطعات آلیاژ تنگستن در زمینه‌های پیشرفته- مانند هوافضا، دفاع، صنایع هسته‌ای، تجهیزات پزشکی و الکترونیک، ویژگی‌های ساختاری پیچیده‌تری دارند، از جمله دیوارهای نازک، سطوح منحنی، و ساختارهای متخلخل، که روش‌های متالورژی پودر سنتی نمی‌توانند از عهده آن برآیند. تولید قطعات آلیاژ تنگستن خالص بدون{2}}چگالی بالا-به طور مستقیم با استفاده از تولید افزودنی همچنان با چندین چالش فنی مواجه است. چاپ اکستروژن پودر (PEP)، یک فناوری چاپ سه بعدی غیرمستقیم فلزی که ترکیبی از پرینت سه بعدی و متالورژی پودر است، از پودر آلیاژ تنگستن با یک کلاسور استفاده می کند. پودر با استفاده از تجهیزات چاپ سه‌بعدی شکل می‌گیرد و سپس از طریق متالورژی پودر فرآوری می‌شود و در نهایت قطعات ساختاری با چگالی بالا-به‌دست می‌آید. این فناوری راه حل جدیدی برای مشکلات ماشینکاری آلیاژهای تنگستن و تولید ساختارهای پیچیده ارائه می دهد. ویژگی‌های تنظیم دمای پایین-و{15}}تنظیم دمای بالا، به طور مؤثر مشکلاتی مانند تغییر شکل، ترک‌خوردگی و حفره‌هایی را که به راحتی در سایر فرآیندهای چاپ سه بعدی آلیاژهای تنگستن با آنها مواجه می‌شوند، حل می‌کند.

PART.03

ماشینکاری قطعات آلیاژ تنگستن
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC) منجر به افزایش قابل توجه نرخ سایش ابزار در حین ماشینکاری می شود که بر دقت ماشینکاری و عمر ابزار تأثیر می گذارد. عمر ابزار و راندمان ماشینکاری فاکتورهای کلیدی هستند که در ماشینکاری باید در نظر گرفته شوند. آلیاژهای تنگستن رسانایی حرارتی نسبتاً کمی دارند و گرمای تولید شده در حین برش به سختی به سرعت دفع می شود. لبه برش در دمای بالا کار می کند که به راحتی تنش حرارتی ایجاد می کند و منجر به تغییر شکل ابزار و افزایش سایش می شود [8]. تراشه های آلیاژ تنگستن دانه ای هستند که برداشتن تراشه را دشوار می کند. آنها تمایل به تجمع در ناحیه برش دارند، لبه های براده را تشکیل می دهند و بر کیفیت سطح قطعات ماشینکاری شده تأثیر می گذارند و همچنین ممکن است به ابزار و ماشین ابزار آسیب بزنند. مقایسه ابزارهای برش و پارامترهای فرآیند برای قطعات آلیاژ تنگستن در جدول 3 نشان داده شده است. در عمل مهندسی، ابزارهای PCBN یکی از بهترین انتخاب ها هستند. قطعات معمولی آلیاژ تنگستن پردازش شده توسط برش در شکل 3 نشان داده شده است. جدول 3 مقایسه ابزارهای برش و پارامترهای فرآیند برای قطعات آلیاژ تنگستن شکل 3 قطعات آلیاژ تنگستن معمولی پردازش شده توسط برش PART.04 سنگ زنی قطعات آلیاژ تنگستن سنگ زنی، به عنوان یک روش میکرو{14}برای برش کاری مناسب است{14} آلیاژهای تنگستن سنگ زنی چرخ سنگ زنی در شکل 4 نشان داده شده است. چرخ سنگ زنی عمدتاً از دانه های ساینده، منافذ و چسب ها در یک نسبت خاص تشکیل شده است. دانه‌های ساینده آن دارای ویژگی‌های زاویه‌ای منفرد است که معمولاً در محدوده 90 درجه تا 120 درجه است. در طی فرآیند سنگ زنی آلیاژهای تنگستن، مواد آسیاب حاصل دانه ای است. به دلیل ویسکوزیته و چقرمگی نسبتا کم، براده ها نسبتاً آسان برداشته می شوند و به راحتی منافذ چرخ سنگ زنی را مسدود نمی کنند [9]. بنابراین، هنگام آسیاب کردن آلیاژهای تنگستن، می توان از چرخ های آسیاب با منافذ بزرگتر برای بهبود راندمان آسیاب و کیفیت پردازش استفاده کرد. در ناحیه آسیاب، گرمای آسیاب به راحتی جمع می شود، که ممکن است منجر به سوختگی آسیاب شود. برای مقابله مؤثر با این مشکل، لازم است اقدامات خنک‌کننده فشاری{27} با فشار و جریان زیاد{28}} برای حذف گرمای تولید شده در طول فرآیند سنگ‌زنی به موقع و کاهش تغییر شکل حرارتی و تنش حرارتی در ناحیه آسیاب انجام شود. معمولاً امولسیون‌های مبتنی بر آب{30}به‌عنوان سیال برش انتخاب می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که اثر خنک‌کننده به بهترین حالت می‌رسد. انتخاب پارامترهای فرآیند سنگ زنی برای قطعات آلیاژ تنگستن در جدول 4 نشان داده شده است. شکل 4 نمودار شماتیک چرخ سنگ زنی جدول 4 انتخاب پارامترهای فرآیند سنگ زنی برای قطعات آلیاژ تنگستن تنگستن خالص یا تنگستن{35}}نیکل{36}}قطعات آلیاژ مس دارای مغناطیس کم هستند. برای قطعات دیوار نازک{38}، تعمیر مطمئن آنها با چاک های الکترومغناطیسی سنتی دشوار است. فیکسچرهای جذب خلاء [10] را می توان برای بستن در نظر گرفت. فیکسچر موقعیت یابی جذب خلاء برای قطعات آلیاژ تنگستن در شکل 5 نشان داده شده است.

PART.05

ماشینکاری سیم EDM قطعات آلیاژ تنگستن
آلیاژهای تنگستن دارای نقطه ذوب بالا و سختی بالایی هستند و می‌توان با استفاده از ابزارهای سختی بالا مانند ابزارهای روکش دار، ابزارهای PVD و ابزارهای سرامیکی، ماشین کاری کرد. با این حال، این ابزارها سایش قابل توجهی را تجربه می‌کنند و ماشین‌کاری ویژگی‌هایی مانند منافذ، شکاف‌های باریک و سوراخ‌های نامنظم را با استفاده از این ابزارهای سنتی دشوار می‌کنند. ماشینکاری تخلیه الکتریکی سیم (EDM) یک فرآیند ماشینکاری ویژه است. اصل اساسی آن استفاده از سیم الکترود فلزی با حرکت مداوم (معمولا سیم مسی یا مولیبدنی) برای ایجاد تخلیه جرقه پالسی بین قطعه کار و قطعه کار است. دمای تولید شده معمولاً به 8000-12000 درجه می رسد که برای ذوب یا حتی تبخیر مواد سطحی آلیاژ تنگستن کافی است و در نتیجه برش قطعه کار را انجام می دهد. حرکت نسبی بین سیم الکترود و قطعه کار به کل فرآیند برش اجازه می دهد تا شکل مورد نظر را بر روی سطح قطعه کار تشکیل دهد. شکل 6 ماشینکاری سوراخ هایی با شکل نامنظم بر روی یک آلیاژ تنگستن با استفاده از سیم EDM را نشان می دهد. سیم EDM برای پردازش قطعات آلیاژ تنگستن استفاده می شود. دمای بالا باعث تغییر فاز کریستالی سطح آلیاژ تنگستن در حین برش می شود و در نتیجه یک لایه اصلاح شده ایجاد می شود که خواص منحصر به فرد آلیاژ تنگستن را تخریب می کند. روش "برش-یک-تعمیر-سه" در طول پردازش استفاده می‌شود و به تدریج عمق برش و پارامترهای توان پالس برای تعمیر لایه اصلاح‌شده کاهش می‌یابد.

شکل 6: ماشینکاری سوراخ های نامنظم روی یک آلیاژ تنگستن با استفاده از سیم EDM

PART.06

نتیجه‌گیری این مقاله به بررسی و خلاصه‌سازی آماده‌سازی بلنک، روش‌های پردازش متداول، و مشکلات پردازش قطعات آلیاژ تنگستن دقیق می‌پردازد. در آماده سازی بلانک، متالورژی پودر نسبتا بالغ تر است، موادی با چگالی بهتر تولید می کند و مزایایی در تولید انبوه پایدار ارائه می دهد. ساخت افزودنی، فرآیند نسبتا جدیدی که در سال‌های اخیر توسعه یافته است، مسیرهای فرآیندی مختلفی را ایجاد کرده است و مزایایی در ساخت قطعات ساختاری با حفره‌های پیچیده دارد. در برش، ابزارهای PCBN دارای مزایایی هستند، دستیابی به عمر ابزار بالا و کاهش تاثیر سایش ابزار بر دقت ماشینکاری. فن آوری سنگ زنی برای ماشینکاری سطوح معمولی و دستیابی به کیفیت سطح بالاتر سودمند است. برای ویژگی های سوراخ و شیار، سیم EDM کارایی پردازش بالایی را ارائه می دهد. فرآیند آماده‌سازی بلنک فوق‌الذکر، و همچنین روش‌های برش، آسیاب و برش سیم، می‌تواند به طور موثر کیفیت ساخت و کارایی تولید قطعات آلیاژ تنگستن دقیق را بهبود بخشد و پشتیبانی فنی را برای توسعه صنایع مرتبط فراهم کند.