تشكيل الرش

التشكيل بالرش، المعروف أيضًا باسم الصب بالرش، هو عملية معدنية تُشكِّل مكونات شبه شبكية الشكل، تتميز بانفصال منخفض وبنية مجهرية موحدة. تجمع هذه العملية بين ظواهر التذرية والترسيب والتماسك. يمكن للتشكيل بالرش استخدام السبائك بسهولة لتصنيع مكونات يصعب صبها، مثل النيكل والسبائك القائمة على النيكل والفولاذ عالي السرعة، إلخ. تُستخدم هذه العملية التصنيعية المتقدمة في تصنيع الحلقات والأقراص وأجزاء الختم لمحركات الطائرات. ليس هذا فحسب، بل تُستخدم أيضًا في تصنيع الأنابيب والأدوات والقضبان الأسطوانية المغطاة بالبثق.

تاريخ تشكيل الرش

في سبعينيات القرن الماضي، نجح سينجر وفريقه في استخدام تقنية التشكيل بالرش لتصنيع مكونات الوجبة في كلية جامعة سوانسي. وأثبت أن ذرات الغاز يمكن أن تُشكل شرائح معدنية مباشرة من المعدن المنصهر. وكانت شركة أوسبري أول شركة تستخدم هذه العملية تجاريًا، ولذلك سُميت أيضًا بعملية أوسبري. وفي وقت لاحق، استُخدمت تقنية الضغط الديناميكي السائل (LDC) أيضًا لتصنيع المكونات المعدنية، والتي عززت التصلب السريع لتحسين خصائص المواد. ومع مرور الوقت، مهد تشكيل الرش المعدني الطريق لاستخدامه في تصنيع الأشكال شبه الشبكية.

عملية التشكيل بالرش

تحضير الذوبان

في الخطوة الأولى من عملية التشكيل بالرش، يُحضّر معدن مصهور نظيف ومُخلوط مسبقًا في بوتقة. هنا:

• من أجل تقليل التدرج الحراري، يتم الحفاظ عليه عند درجة حرارة منخفضة للغاية.
• ولمنع الأكسدة، يتم تطهير حجرة الصهر بغاز خامل مثل النيتروجين أو الأرجون.
• يتم تطبيق ضغط زائد طفيف للحفاظ على جو وقائي.

توصيل الذوبان

الآن، يُفرَّغ هذا المصهور من قاع البوتقة عبر مصفاة إلى منطقة التذرية. في هذه الخطوة، يُضمن تدفق ثابت ومنضبط للمصهور لضمان التذرية الصحيحة.

التذرية

في حجرة الأتمتة، يمتزج غاز خامل سريع الحركة مع المصهور، مكونًا قطرات صغيرة. يتراوح حجم هذه القطرات بين 20 و200 ميكرومتر. لا يقتصر دور نفث الغاز على إنتاج القطرات الصغيرة فحسب، بل يوفر أيضًا تبريدًا حراريًا ويبدأ تصلبًا سريعًا أثناء مرور القطرات عبر الرذاذ.

تبريد القطرات وتسريعها

عند مغادرة حجرة التذرية، تتسارع القطرات إلى سرعات تتراوح بين 50 و100 متر/ثانية أثناء تبريدها أثناء الطيران. تُزال حوالي 60-80% من الحرارة الكامنة من القطرات خلال بضعة ميلي ثانية من التذرية. تتبدد الحرارة المتبقية خلال فترة تصل إلى 300 ثانية. بهذه الطريقة، تتصلب القطرة عند وصولها إلى الركيزة في مراحل مختلفة.

الترسيب على الركيزة

أخيرًا، تسقط القطرة على الركيزة المتحركة أو الثابتة، فتتسطح وتتصلب لتشكل رواسب كثيفة متماسكة. تتراوح كثافة المادة هنا بين 96% و99.5%.

تطوير البنية الدقيقة

تُعزز عملية تشكيل المعدن بالرش التبريد الفائق، مما يُنتج جزيئات دقيقة ومتساوية الحجم والشكل في جميع الاتجاهات. ويبقى تركيب المادة موحدًا بفضل غياب التفكك الكبير.

تطبيقات عملية التشكيل بالرش

إنتاج الشرائط والصفائح

تُصنع الشرائط والألواح المعدنية ذات الحبيبات الدقيقة عن طريق التشكيل بالرش. تتميز هذه الشرائط والألواح بمقاومة عالية للتآكل وخصائص ميكانيكية ممتازة.

الحلقات والأنابيب

من أبرز تطبيقات التشكيل بالرش إنتاج حلقات وأنابيب كبيرة القطر بدون لحامات. تُصنع هذه الحلقات والأنابيب للصناعات التي تتطلب نسبًا عالية من القوة إلى الوزن وبنية دقيقة موحدة. وتُنتج بشكل رئيسي لمكونات الطائرات ومعدات توليد الطاقة.

المواد الإنشائية

يُستخدم التشكيل بالرش أيضًا على نطاق واسع في إنتاج المعادن الإنشائية في مختلف الصناعات، بما في ذلك مواد مثل الألومنيوم والفولاذ وسبائك النحاس.

سبائك الألومنيوم

يتم إنتاج العديد من السبائك القائمة على الألومنيوم من خلال التشكيل بالرش، مثل:

• سبائك الألومنيوم والسيليكون لتطبيقات السيارات. تتميز هذه السبائك بمقاومة أفضل للتآكل وقابلية صب للمكونات.
• سبائك الألومنيوم والليثيوم للتطبيقات الفضائية والبحرية.

مزايا التشكيل بالرش

شكل الشبكة القريب

في عملية التشكيل بالرش، تترسب جزيئات معدنية شبه صلبة مباشرةً على الركيزة، مما يُنتج مادةً شبه صافية. هذا لا يُقلل فقط من هدر المواد، بل يُخفض أيضًا تكلفة الإنتاج الإجمالية.

عيوب أقل

تُجرى هذه العملية في جو خامل، مما يقلل من احتمالية تفاعل المعدن مع الأكسجين أو الغازات الأخرى. وهذا يُساعد على منع عيوب المنتج النهائي.

انخفاض التكلفة واستخدام الطاقة

من المزايا الاستثنائية لتشكيل المعادن بالرش أنها لا تتطلب قوالب أو أدوات باهظة الثمن، وتستهلك طاقة أقل. هذا يجعلها فعالة من حيث التكلفة وسريعة.

البنية الدقيقة والمتساوية

تتميز المواد المُشكّلة بالرش عادةً بحبيبات صغيرة ومراحل ثانوية دقيقة. ونتيجةً لذلك، تتمتع ببنية داخلية متساوية، مما يُحسّن خصائصها الميكانيكية.

كثافة عالية

In عملية مسحوق المعادن التقليديةنظرًا لمحدودية عملية الضغط وانخفاض كفاءة التلبيد، تبلغ كثافة الأجزاء عادةً حوالي 95%. بينما في عملية التشكيل بالرش، تصل كثافة الأجزاء العالية عادةً إلى 98% عن طريق تقليل المسامية.

حدود مصادر بيانات تشكيل الرش

المسامية في المنتج النهائي

على الرغم من أن عملية التشكيل بالرش معروفة بإنتاج هياكل دقيقة من المواد، إلا أن المنتج النهائي يحتوي على ثقوب داخلية صغيرة، مثل مسامية الصب. ولذلك، قد يتطلب معالجة مثل الدرفلة أو البثق.

خسائر المعادن

قد تُهدر كمية كبيرة من المعدن أثناء العملية. ويشمل ذلك:

• الرش الزائد:قطرات معدنية لا تصيب الهدف.
• الارتداد: قطرات تضرب السطح ولكنها لا تلتصق.
• بالقطع: مادة إضافية يجب إزالتها لاحقًا.

التكلفة العالية للغازات الخاملة

نحن نعلم أن عملية التشكيل بالرش تتطلب غازًا خاملًا لتفتيت المعادن المنصهرة، ولكن هذه الغازات مكلفة للغاية، مما يجعل العملية أقل اقتصادية.

عملية التحكم الصعبة

من الصعب مراقبة العملية والتحكم فيها في الوقت الفعلي، مما يجعل من الصعب ضمان تناسق البنية الدقيقة والشكل دون إجراء تعديلات أو تصحيحات إضافية.