Pengoptimuman Proses Peleburan Katil Serbuk Laser (LPBF) Aloi Magnesium: Daripada Kawalan Pengoksidaan Serbuk kepada Ketumpatan dan Tetingkap Proses Tahan Nyalaan

Pengenalan: Mengapa Pembuatan Aditif Aloi Magnesium Wajar Diberi Perhatian

Aloi magnesium ialah bahan struktur dengan ketumpatan paling rendah dalam kalangan logam kejuruteraan (1.74–1.83 g/cm³), dengan kekuatan tentu yang hampir menyamai aloi titanium. Ia mempunyai permintaan yang jelas dalam pendakap aeroangkasa, kenderaan tenaga baharu dan implan perubatan biodegradasi. Namun, magnesium mempunyai kereaktifan kimia yang sangat tinggi; proses tuangan lebur konvensional mudah mengalami pengoksidaan dan pembakaran, serta menghasilkan mikrostruktur produk yang longgar. Peleburan katil serbuk laser (LPBF/SLM) membentuk komponen secara lapisan demi lapisan menggunakan ketumpatan tenaga tinggi dan pemejalan pantas, membolehkan aloi magnesium dihasilkan sebagai struktur ringan bertopologi yang sukar dicapai melalui proses tradisional, dengan syarat dua cabaran utama dapat diatasi: “pengoksidaan serbuk” dan “tetingkap proses yang sempit”.

1. Nilai Aplikasi dan Cabaran Teras

Mengambil gred seperti AZ91D, WE43 dan ZK60 sebagai contoh, komponen aloi magnesium yang dihasilkan secara aditif mampu mengurangkan berat sebanyak 30%–50% sambil mengekalkan ketegaran yang mencukupi. Namun, pengeluaran berskala besar masih tersekat oleh dua faktor utama. Pertama, serbuk magnesium lebih mudah teroksida berbanding serbuk aluminium dan titanium; peningkatan kandungan oksigen akan terus menjejaskan ketumpatan dan rintangan kakisan. Kedua, magnesium mempunyai takat didih yang rendah (kira-kira 1090°C) dan tekanan wap yang tinggi, menjadikannya sangat mudah menghasilkan percikan dan terbakar di bawah tindakan laser. Oleh itu, tetingkap prosesnya lebih sempit berbanding aloi titanium. Ini bermakna peralatan, atmosfera dan parameter proses perlu direka bentuk secara bersepadu, bukan sekadar menggunakan proses serbuk logam umum sedia ada.

2. Pengoksidaan Serbuk dan Kawalan Atmosfera Perlindungan

Pengoksidaan serbuk magnesium di udara bermula seawal peringkat penghasilan serbuk. Kaedah pengabusan gas lengai dengan perlindungan Ar disyorkan untuk menghasilkan serbuk, dengan kandungan oksigen dikawal di bawah 800 ppm dan peningkatan oksigen serbuk dalam kitaran pencetakan dihadkan kepada 200 ppm. Kepekatan oksigen dalam ruang pembentukan hendaklah dikekalkan di bawah 100 ppm, sebaik-baiknya 50 ppm, manakala takat embun perlu lebih rendah daripada −40°C. Serbuk suapan dan serbuk kitar semula perlu melalui proses pengayakan dan penyahlembapan vakum bagi mengelakkan penyerapan lembapan yang boleh menyebabkan kolam lebur meletup mendidih di bawah laser. Dalam amalan, pengurangan kepekatan oksigen dalam ruang daripada 500 ppm kepada 50 ppm boleh meningkatkan ketumpatan AZ91D daripada kira-kira 96% kepada lebih 99%.

3. Tetingkap Proses dan Pengoptimuman Ketumpatan

Aloi magnesium mempunyai kekonduksian haba yang tinggi dan pelesapan haba yang kuat, maka ia memerlukan ketumpatan tenaga isipadu yang lebih tinggi berbanding serbuk titanium dengan saiz zarah yang sama. Untuk serbuk 30–45 μm dan ketebalan lapisan 30 μm, ketumpatan tenaga isipadu boleh ditetapkan pada 90–140 J/mm³, kuasa laser 150–250 W, kelajuan imbasan 600–1000 mm/s, jarak imbasan 0.08–0.12 mm, serta menggunakan strategi imbasan bersegmen corak papan catur/jalur dengan sudut putaran antara lapisan 60°–67° bagi mengurangkan pengumpulan haba. Ketumpatan tenaga yang terlalu tinggi boleh menyebabkan pancutan wap magnesium dan liang gas, manakala tenaga yang terlalu rendah akan menghasilkan ketakleburan. Melalui penentukuran gelung tertutup berdasarkan morfologi kolam lebur dan CT sinar-X, keliangan boleh dikawal secara stabil di bawah 0.5%.

4. Proses Tahan Nyalaan dan Pengurangan Kecacatan

Bagi menangani risiko percikan dan pembakaran, tiga jenis kaedah penindasan boleh digunakan: menambah sejumlah kecil gas campuran aktif/lengai ke dalam gas perlindungan, seperti campuran Ar yang mengandungi unsur fluorin atau jejak SF6, untuk mempasifkan permukaan kolam lebur; menggunakan modulasi laser denyut pendek dengan kitar tugas rendah bagi mengurangkan input haba setempat; serta mengurangkan tenaga linear dan melaksanakan sokongan berbentuk pulau pada kawasan berdinding nipis dan tergantung. Jika fenomena pembentukan bebola berlaku, keutamaan harus diberikan kepada peningkatan kelajuan imbasan atau pengurangan kuasa serta pengecilan kadar pertindihan, dan bukannya menaikkan kuasa secara membuta tuli. Untuk pascapemprosesan, penekanan isostatik panas disyorkan (HIP, kira-kira 400–450°C, 100–150 MPa) bagi menghapuskan mikroliang selanjutnya dan menstabilkan dimensi.

5. Senario Aplikasi Tipikal

Pada masa ini, aplikasi yang lebih matang tertumpu pada tiga kategori: pendakap ringan aeroangkasa dan komponen struktur satelit, komponen pengurangan berat untuk sistem kuasa dan casis kenderaan tenaga baharu, serta implan tulang biodegradasi yang diperbuat daripada aloi magnesium nadir bumi seperti WE43. Dalam bidang perubatan, perhatian perlu diberikan kepada padanan antara kadar pelepasan ion magnesium dan prestasi mekanikal, lazimnya dengan bantuan pengubahsuaian permukaan seperti pengoksidaan mikroarka dan salutan untuk mengawal tempoh degradasi.

Kesimpulan

Intipati pembuatan aditif LPBF aloi magnesium ialah mengubah logam yang sangat aktif menjadi bahan struktur yang boleh dikawal melalui gabungan “atmosfera ultrabersih + tetingkap tenaga yang tepat + proses tahan nyalaan”. Bagi pasukan kejuruteraan, laluan paling stabil menuju pengeluaran kelompok kecil ialah membangunkan pemantauan dalam talian oksigen/takat embun dan pengurusan kitaran serbuk terlebih dahulu, kemudian melaksanakan gelung tertutup parameter berasaskan ketumpatan dan keliangan.