Kako parametri toplinske obrade utječu na konačnu izvedbu dijela?

1. Parametar temperature: rekonstrukcija mikrostrukture potaknuta faznim prijelazom
Kontrola temperature i faznog sastava čvrste otopine
Temperatura obrade otopine ima izravan učinak na to koliko se dobro legirajući elementi otapaju u metalnoj matrici. Ojačavajuća jezgra 3D tiskanog nehrđajućeg čelika 17-4PH su čestice bakra koje ispadaju iz njegove martenzitne matrice. Kada se temperatura krute otopine održava između 1040 i 1080 stupnjeva, element bakra potpuno se otapa u austenitnoj matrici, stvarajući prezasićenu krutu otopinu. Ako je temperatura ispod 1000 stupnjeva, zaostale čestice bakra neće dovoljno ojačati materijal. Ako temperatura prijeđe iznad 1100 stupnjeva, materijal će postati manje robustan jer će zrna postati veća. Prema istraživanju Instituta za metale pri Kineskoj akademiji znanosti, HIP tretman na 950 stupnjeva može pomoći da se 'martenzit promijeni u + dvofaznu strukturu u Ti6Al4V leguri. Ovo povećava istezanje na 13,15% dok zadržava granicu razvlačenja na 909,5MPa.
Poboljšanje temperature i padalina pri starenju
Vremenski tretman čini stvari jačima upravljajući veličinom i širenjem čestica druge faze. Tim Tehnološkog sveučilišta u Šangaju odležao je CuCrZr leguru koju je napravio SLM na 500 stupnjeva 1 sat. To mu je povećalo vlačnu čvrstoću s 460 MPa na 585 MPa, a vodljivost s 31% IACS na 64% IACS. Mehanizam ojačavanja temelji se na činjenici da atomi Cr izlaze iz bakrene matrice tijekom procesa starenja. Ovo stvara CrxZry čestice nanorazmjera koje zaustavljaju migraciju dislokacija kroz Orowan mehanizam jačanja. Kako temperatura starenja ide do 550 stupnjeva, istaložene faze su grublje, što čini materijal slabijim. Međutim, materijal postaje duktilniji, s povećanjem duktilnosti od 20% zbog pada otpora klizanju dislokacija.
2. Vremenski parametar: Ravnoteža između popravljanja grešaka i performansi
Vrijeme zadržavanja i učinkovitost zatvaranja pora
Trajanje držanja ima izravan utjecaj na to koliko se dobro popravljaju pore nakon HIP tretmana. Istraživanje HIP procesa legure Ti6Al4V pokazuje da pri 920 stupnjeva /140MPa, dvosatni tretman može smanjiti poroznost s 0,8% na 0,02% i postići gustoću od 99,99%; Ako se vrijeme držanja produlji na 4 sata, poroznost se dodatno smanjuje na 0,005%, ali se veličina zrna povećava s 10 μm na 15 μm, što rezultira smanjenjem granice razvlačenja od 8%. To znači da dok vrijeme zadržavanja može učiniti stvari gušćima, ono također može potaknuti neobičan rast zrna. Dakle, potrebno je pronaći ravnotežu između popravljanja nedostataka i održavanja performansi.
Kinetika fazne promjene i vrijeme izolacije
Izolacijsko vrijeme obrade krute otopine trebalo bi osigurati da su svi elementi legure potpuno otopljeni. Za 3D-ispisanu IN718 visoko{4}}temperaturnu leguru, držanje na 1080 stupnjeva 1 sat može u potpunosti otopiti Nb element u matrici. Ako se razdoblje izolacije skrati na 30 minuta, faza ojačavanja '' ne može se u potpunosti istaložiti, zbog čega -učinak puzanja pri visokim temperaturama pada za 40%. Duljina vremena u kojem je materijal izoliran tijekom tretmana starenjem utječe na veličinu faza koje se formiraju. Na primjer, nakon starenja na 720 stupnjeva tijekom 8 sati, faza u leguri 718 je veličine 50 nm, što je najbolje za ojačavanje. Nakon 16 sati starenja, istaložena faza je narasla na 100 nm, što je dovelo do pada čvrstoće za 15%.
3. Brzina hlađenja: pročišćavanje organizacije i kontrola zaostalog naprezanja
Brzina kaljenja i proizvodnja martenzita
Brzina kojom se metal hladi tijekom kaljenja utječe na to koje će proizvode faznog prijelaza imati. Za 3D tiskani alatni čelik H13, brzina hlađenja u ulju od 50 stupnjeva / s može stvoriti martenzit ravnih rezanaca s tvrdoćom od 52HRC. Ako ga ohladite zrakom (5 stupnjeva /s), formirat će se struktura bainita i tvrdoća će pasti na 40HRC. Iako brzo kaljenje stvari može učiniti tvrđim, može uzrokovati i njihovo pucanje. Kako bi se pronašla prava ravnoteža između tvrdoće i zaostalog naprezanja, potrebno je postupno kaljenje (na primjer, prvo hlađenje na 600 stupnjeva, a zatim hlađenje uljem).
Sporo hlađenje i smanjenje stresa
Spora brzina hlađenja tijekom tretmana žarenjem utječe na to kako se oslobađa zaostalo naprezanje. Bilo je potrebno 2 sata da se aluminijska legura AlSi10Mg za 3D ispis ohladi od 300 stupnjeva do sobne temperature brzinom od 5 stupnjeva/min. Ovo je smanjilo zaostalo naprezanje za 70%. Ako se brzina hlađenja poveća na 20 stupnjeva / min, zaostalo naprezanje će pasti samo za 30%. Sporo hlađenje pomaže preraspodjelu dislokacija i migraciju granica zrna, što smanjuje stres. Međutim, brzina hlađenja koja je prespora može uzrokovati grublje zrna, stoga su potrebne odgovarajuće postavke optimizacije materijala.
4. Suradnička optimizacija s više-parametara: od "pokušaja i pogrešaka" do "precizne kontrole"
Digitalna tehnologija blizanaca pokreće predviđanje parametara
Siemens i Boeing zajedno su radili na izradi digitalne dvostruke platforme koja može pokazati kako se temperaturno polje, polje naprezanja i mikrostruktura 3D tiskane legure Ti6Al4V mijenjaju tijekom HIP tretmana. Sustav može odrediti najbolju HIP metodu (kao što je 920 stupnjeva /140MPa/2h) uzimajući u obzir stvari kao što su početna poroznost i veličina zrna. Time dijelovi mogu trajati tri puta dulje i prepoloviti broj testiranja.
Inverzija parametara uz pomoć strojnog učenja
GE Aviation koristi tehnike strojnog učenja kako bi pregledao 100.000 skupova podataka o toplinskoj obradi i stvorio model mapiranja "temperatura vrijeme hlađenje performansi". Ovaj model može odrediti postavke procesa koje će funkcionirati za određene potrebe izvedbe. Kada legura IN718 treba održati vijek puzanja od 1000 sati na 650 stupnjeva, na primjer, sustav predlaže procesnu shemu od 1080 stupnjeva /1h čvrsta otopina+720 stupanj /8h starenja. Izmjereni vijek puzanja je 1200 sati.
5. Studija slučaja industrije: od laboratorija do tvornice
Područje zrakoplovstva
Kako bi poboljšao 3D ispis visokotemperaturnih-legura turbinskih diskova-na bazi nikla, Rolls Royce usvaja HIP obradu. Dijelovi tretirani HIP-om imaju vijek puzanja od 173 sata na visokoj temperaturi od 1400 stupnjeva, što je više od 50 sati koliko je bilo potrebno za bitne komponente GE9X motora.
Područje medicinskih implantata
Nakon 950 stupnjeva tijekom 4 sata HIP tretmana na 3D ispisanom Ti6Al4V implantatu zgloba kuka tvrtke Johnson&Johnson, njegova maksimalna čvrstoća na zamor dosegla je 550 MPa (107 ciklusa), što je isto kao i kod krivotvorenog žarenog stanja. Istovremeno, hrapavost površine Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.