Može li toplinska obrada poboljšati performanse zamora metalnih 3D tiskanih dijelova?

一, Glavni problem s performansama od zamora je da 3D tiskani dijelovi imaju greške od rođenja.
Problemi s učinkom zamora metalnog 3D ispisa proizlaze iz načina na koji je izrađen. Koristeći leguru titana (Ti-6Al-4V) kao primjer, metoda taljenja sloja praha (PBF) brzo topi metalni prah i zatim ga skrućuje. To uzrokuje sljedeće probleme:
Heterogenost mikrostrukture: glavna zrna imaju grubu stupčastu strukturu, s više faze u blizini rubova zrna, što olakšava početak pukotina uslijed zamora.
Rupe i praznine: Ako se prah potpuno ne stopi ili se plin otopi, unutarnja poroznost može biti visoka od 0,5% do 2%, što uvelike snižava granicu zamora.
Preostalo naprezanje: Vlačno naprezanje koje dolazi od brzog hlađenja može iznositi 50% do 70% granice razvlačenja materijala, što ubrzava rast pukotina.
Institut za metale, Kineska akademija znanosti, otkrio je da je otpornost na zamor tipične legure titana za 3D ispis samo 475 MPa, što je daleko niže od 900 MPa koliko bi trebala biti pri kovanju. To je uglavnom zbog pora i grube teksture koje uzrokuju pukotine.
2, Put tehnologije toplinske obrade ide od uklanjanja nedostataka do poboljšanja organizacije.
Upravljanjem temperaturom, trajanjem i brzinom hlađenja, toplinska obrada ispunjava tri glavna cilja:
1. Rješavanje nedostataka iznutra: Tehnologija vrućeg izostatičkog prešanja (HIP)
HIP proces koristi inertni plin, poput argona, za pomicanje tlaka pri vrlo visokim temperaturama (900–1250 stupnjeva) i vrlo visokim pritiscima (100–200 MPa). Time materijal mijenja oblik i zatvara sve rupe unutar njega. Na primjer:
U zrakoplovstvu, GE Aviation koristio je SLM za ispis Inconel 718 turbinskih lopatica, a zatim HIP za njihovu obradu. Ovo je smanjilo poroznost s 0,8% na 0,02% i utrostručilo vijek trajanja od zamora.
Poboljšanje legura titana: tvrtka u Chongqingu koristila je HIP obradu za 3D ispis Ti-6Al-4V. Ovo je podiglo granicu zamora s 550 MPa na 900 MPa, što je isto kao i stanje kovanja, i učinilo materijal mnogo manje anizotropnim.
2. Tehnologija usmjerene rekristalizacije koristi se kako bi veličina zrna bila ujednačenija, a mikrostruktura ujednačenija.
MIT-ov postupak usmjerene rekristalizacije kontrolira temperaturni gradijent (na primjer, izvlačenje pri 2,5 mm/h na 1235 stupnjeva) kako bi se stvorile stupčaste kristalne strukture tjerajući zrnca da rastu u određenom smjeru. Ova tehnika:
Da biste zaustavili puzanje, poravnajte stupčaste kristale s najvećom osi naprezanja, zaustavite klizanje granica zrna pri visokim temperaturama i udvostručite vijek puzanja legura-na bazi nikla-visokih temperatura.
Povećanje otpornosti na zamor: U korištenju lopatica plinske turbine, uklanjanje grubih zrna i dislokacijskih grešaka povećava otpornost na početak zamornih pukotina za 60%.
3. Kontrola faznih promjena: čvrsta otopina s tretmanom starenja
Za materijale poput aluminijskih legura, tretman otopinom (poput držanja na 540 stupnjeva 2 sata) prekida fazu ojačavanja. Zatim, tretman starenja (poput držanja na 155 stupnjeva 8 sati) stvara nanorazmjerne precipitate (poput θ 'faze).
Ravnoteža čvrstoće i žilavosti: Nakon toplinske obrade T6, granica razvlačenja aluminijske legure F357 porasla je s 280 MPa na 380 MPa, ali istezanje je ostalo isto na 12%.
URQ-HIP proces tvrtke Quintus Technologies kombinira krutu otopinu i tretman visokim-tlakom kako bi se spriječilo ponovno otvaranje pora, što aluminijskoj leguri F357 daje dulji vijek trajanja od zamora od MMPDS standardnih odljevaka.
3, Inženjerska praksa: prijelaz iz laboratorija u industrijalizaciju
1. Područje zrakoplovstva
Siemens koristi SLM za tiskanje oštrica od legura-na bazi nikla-za visoke temperature. Ove se lopatice zatim tretiraju s HIP-om i usmjerenom rekristalizacijom kako bi se dodali komplicirani kanali za hlađenje, što turbinu čini 5% učinkovitijom i koristi 3% manje goriva.
Lagani strukturni dijelovi: Boeing 787 ima 3D-isprintane nosače od legure titana koji se dvaput zagrijavaju (HIP+starenje) kako bi bili 40% jači i 30% lakši.
2. Industrija medicinskih uređaja
Johnson&Johnson Medical vakuumski je žario 3D ispisane zglobove kuka kako bi se oslobodio površinskog zaostalog stresa. Zatim su upotrijebili kemijsko poliranje kako bi površinu učinili glatkom do Ra0,8 μm i dali implantatima vijek trajanja više od 20 godina.
Dizajn protiv-zamora: NAMP tehnika Kineske akademije znanosti (regulacija defekata i tkiva korak-po-korak) podigla je vlačnu čvrstoću zamora implantata Ti-6Al-4V sa 475 MPa na 978 MPa, najvišu razinu na svijetu.
3. Tema energetske opreme
Popravak plinske turbine: Tim MIT-a popravio je 3D-isprintanu komoru za izgaranje od legure-na bazi nikla pomoću tretmana usmjerene rekristalizacije. Ova obrada omogućila je komori da podnese naprezanje od 200 MPa na visokoj temperaturi od 650 stupnjeva i smanji stopu puzanja za 80%.
Dijelovi za nuklearnu energiju: Grupacija EDF u Francuskoj koristi HIP obradu za 3D ispis spojeva cijevi od nehrđajućeg čelika. Ovo uklanja unutarnje nedostatke i čini spojeve otpornijima na koroziju kroz tretman otopinom kako bi se ispunili propisi nuklearne sigurnosti.