01
مقدمة الورق
يتم استخدام سيراميك الزركونيا المستقر (YSZ) من Yttria على نطاق واسع في المجالات الهندسية-مثل طبقات الطلاء العازلة الحرارية والطب الحيوي-نظرًا لنقطة انصهارها العالية وصلابتها الاستثنائية ومقاومتها الممتازة للتآكل. تتطلب تقنيات ربط السيراميك التقليدية (على سبيل المثال، اللحام بالنحاس والربط بالانتشار) عادةً إخضاع المجموعة بأكملها للمعالجة الحرارية المطولة داخل فرن بدرجة حرارة -عالية؛ يمكن أن تؤثر هذه العملية على وظيفة المكونات الإلكترونية المغلفة داخليًا، كما أن حجم العينات التي تتم معالجتها مقيد بشدة بأبعاد غرفة الفرن. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لتطوير تقنيات ربط محلية سريعة تتميز بانخفاض المدخلات الحرارية. في حين أن اللحام بالليزر فائق السرعة يوفر ميزة واضحة تتمثل في المدخلات الحرارية المنخفضة للغاية، فإن اللحام المباشر لسيراميك YSZ يؤدي إلى ترسيب طاقة عالي التركيز يؤدي إلى استئصال شديد للمواد. يظهر هذا الاجتثاث على شكل شقوق حادة ومثلثة، والتي تحفز تركيزات إجهاد كبيرة وتؤدي في النهاية إلى قوة مشتركة أقل بكثير من قوة المادة الأصلية.
02
**نظرة عامة على النص الكامل**
لمعالجة القضايا الحاسمة المتمثلة في الاجتثاث الشديد وتركيز الإجهاد، تقترح هذه الدراسة طريقة جديدة للحام الانصهار لسيراميك YSZ باستخدام ليزر فائق السرعة متذبذب. ومن خلال التحكم في تذبذب الليزر فائق السرعة على طول مسار محدد، تعمل هذه التقنية على توسيع منطقة التفاعل بين الليزر والركيزة، وبالتالي تشتيت كثافة طاقة الليزر في الواجهة. توضح النتائج أنه، بالمقارنة مع اللحام المباشر، فإن اللحام المتذبذب يحول شقوق الاجتثاث الحادة إلى شقوق ناعمة تشبه الإصبع- ويحفز تكوين بنية حبيبية عمودية منحنية داخل منطقة الدمج، وبالتالي يعزز بشكل كبير الخواص الميكانيكية للمفصل. علاوة على ذلك، للتغلب على مشكلة عمق الاختراق غير الكافي المرتبط باللحام أحادي الجانب -، نفذت هذه الدراسة بنجاح تقنية اللحام المتأرجح المزدوج الجانب -؛ حقق هذا الأسلوب لحامًا بسماكة كاملة- وخاليًا من عيوب الاختراق غير الكاملة، مما أدى إلى تحسين جوهري إضافي في قوة ثني المفصل ذات الأربع نقاط-.
03
**التحليل المصور**
يوضح الشكل 1 مبادئ عملية اللحام بالليزر فائق السرعة المتذبذب وتأثيراته المفيدة على التشكل الكلي - والجزئي - للمفاصل الناتجة. أثناء عملية اللحام، يتم وضع العينة على منصة حركة (XYZ) ثلاثية المحاور -يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر؛ بينما يمر شعاع الليزر خطيًا على طول المحور Y-، فإنه يخضع في نفس الوقت لتذبذب جانبي على طول المحور X- بعد شكل موجة مثلثي (الشكلان . 1a و1b). تعمل عملية إعادة توزيع الطاقة عبر التذبذب على تحويل شقوق الاجتثاث الحادة والمثلثة-التي يتم توليدها عادةً أثناء اللحام المباشر (غير المتذبذب) (الشكل. 1-ج1)-إلى شقوق أكثر سلاسة تشبه الإصبع-(الشكل. 1ج)، وبالتالي تخفيف تركيز الضغط بشكل فعال في هذه المواقع. فيما يتعلق بالبنية المجهرية، فإن حركة الليزر المتذبذب على البركة المنصهرة تؤدي إلى تكوين هياكل حبيبية عمودية منحنية داخل المفصل، وموجهة بالتوازي مع مسار تذبذب الليزر (الشكل . 1e). يكشف شكل الكسر في منطقة الاندماج (المنطقة II) (الشكل . 1 د) أيضًا أنه في ظل التحميل الميكانيكي، تميل هذه الحبوب العمودية المتموجة والممدودة إلى الكسر على طول حدود الحبوب ومستويات الانقسام. ومع انتشار الشقوق على طول هذه الحدود الحبيبية المنحنية، فإنها تضطر إلى تغيير اتجاهها باستمرار؛ وهذا يزيد بشكل كبير من مساحة سطح انتشار الكراك والطاقة اللازمة للكسر، وبالتالي يعزز بشكل كبير الخواص الميكانيكية للمفصل.
يوضح الشكل 2 بشكل شامل الاختلافات في البنية المجهرية بين المفاصل التي يتم إنتاجها عن طريق اللحام بالليزر المتذبذب فائق السرعة أحادي الجانب - ومزدوج الجانب -، بالإضافة إلى تأثير هذه الاختلافات على قوة الانحناء ذات الأربع نقاط-. يعرض الشكل 2أ المقطع العرضي - وتشكل الكسر للمفصل الملحوم باستخدام تقنية التذبذب أحادي الجانب - بقدرة ليزر تبلغ 900 ميجاوات وسرعة لحام تبلغ 0.1 مم/ثانية. نظرًا لأن تقنية التذبذب من جانب واحد-تعمل على تشتيت طاقة الليزر، يتم تقليل عمق الذوبان بشكل كبير؛ وبالتالي،-لا يتم تحقيق اللحام بالسماكة الكاملة، مما يترك مناطق غير مربوطة مميزة داخل المفصل. تحت الحمل المطبق، تؤدي هذه المناطق غير المخترقة إلى تركيزات إجهاد شديدة، مما يحد من أي تحسن إضافي في الخواص الميكانيكية للمفصل. لقد أثبتت إستراتيجية-اللحام بالتذبذب المزدوج-التي تم تقديمها خصيصًا للتغلب على هذا الاختناق-فعاليتها بشكل ملحوظ. كما هو موضح في الشكل 2ب، في ظل معلمات معالجة متطابقة، نجحت تقنية اللحام مزدوج الجوانب في تحقيق الدمج الكامل للمفصل، مما أدى بشكل فعال إلى القضاء على تركيزات الضغط الناتجة عن المناطق غير المرتبطة وزيادة مساحة الربط الفعالة للمفصل بشكل كبير. توفر مقارنة الخصائص الميكانيكية الواردة في الشكل 2ج تأكيدًا مرئيًا للزيادة الكبيرة في القوة الناتجة عن هذه التحسينات المورفولوجية. بالنسبة للحام أحادي الجانب، تم الوصول إلى أقصى قوة تبلغ 53.9 ميجا باسكال عند سرعة لحام تبلغ 0.05 مم/ثانية؛ على العكس من ذلك، عند استخدام تقنية اللحام مزدوج الجوانب، تم تحقيق قوة انحناء قصوى تبلغ 56.2 ميجا باسكال بسرعة 0.10 مم/ثانية-مما يمثل تحسنًا بنسبة 102.2% مقارنة باللحام المباشر. يوضح هذا بشكل قاطع المزايا الحاسمة -لللحام المتأرجح مزدوج الجوانب في إزالة العيوب الداخلية وتحسين الأداء الميكانيكي العام للمفاصل الخزفية.
