Koje su uobičajene metode toplinske obrade za 3D ispis metala?

1. Tretman žarenja: riješite se zaostalog naprezanja i učinite dimenzije stabilnijima.
Proces žarenja uključuje zagrijavanje dijela na određenu temperaturu (obično ispod temperature rekristalizacije), držanje na određeno vrijeme i zatim polako hlađenje. Ovo oslobađa unutarnje naprezanje u materijalu, pročišćava ili rekristalizira zrna i poboljšava radnu izvedbu i stabilnost dimenzija.
Gdje ga koristiti:
Ublažavanje stresa: Metoda laserskog taljenja sloja praha (SLM) može ostaviti zaostali stres jer se tako brzo hladi. Žarenje može pomoći u smanjenju razine stresa kako bi se materijal spriječio od savijanja ili cijepanja tijekom kasnije obrade ili upotrebe. Na primjer, strukturni dijelovi zrakoplova često se žare na 600-650 stupnjeva nakon tiskanja, što smanjuje stres za više od 80%.
Povećanje plastičnosti: žarenje pročišćava veličinu zrna tiskanih dijelova od legure titana (kao što je Ti6Al4V) i povećava njihovo istezanje za 15% do 20%, čineći ih boljim za dijelove koji se moraju hladno oblikovati.
Stabilizacija dimenzija: Precizni kalupi ili optički dijelovi mogu zaustaviti pomicanje dimenzija koje se događa kada se napetost oslobodi tretmanom žarenja, što zadovoljava visoke-standarde preciznosti.
U slučaju izrade mlaznica za gorivo za LEAP motore, GE Aviation koristio je tehnologiju žarenja za smanjenje zaostalog naprezanja tiskanih dijelova s ​​300MPa na manje od 50MPa. To je učinilo dijelove mnogo stabilnijima u postavkama visokog-tlaka i visoke-temperature.
2. Obrada otopinom i starenje: stvaranje čvršće legure
Princip procesa:
Obrada čvrste otopine: zagrijavanje legure do visoko{0}}temperaturne jednofazne-zone kako bi se potpuno otopili atomi otopljene tvari, stvarajući prezasićenu čvrstu otopinu, nakon čega slijedi brzo hlađenje (kao što je gašenje vodom) kako bi se očuvala struktura visoke-temperature.
Vremenska obrada: Držite prezasićenu krutu otopinu na nižoj temperaturi (obično između 100 i 500 stupnjeva) kako biste je razgradili i formirali ojačavajuće faze poput 'faze'. To će materijal učiniti mnogo jačim i tvrđim.
Primjer upotrebe:
Visokotemperaturne-legure na bazi nikla kao što je Inconel 718 trebaju tretman u čvrstoj otopini (980–1010 stupnjeva) i tretman starenjem (720 stupnjeva × 8h+620 stupnjeva × 8h) nakon tiskanja. Imaju vlačnu čvrstoću od preko 1500 MPa, što je dovoljno za diskove turbina zrakoplovnih motora.
Aluminijska legura, poput AlSi10Mg, postaje 30% tvrđa nakon T6 toplinske obrade (505 stupnjeva čvrste otopine + 170 stupnjeva starenja). To ga čini dobrim za lagane konstrukcijske dijelove.
Kako bi se dobila najbolja kombinacija čvrstoće i žilavosti, legura titana Ti6Al4V tretirana je čvrstom otopinom (950 stupnjeva) i starenjem (550 stupnjeva). To ga čini dobrim za ortopedske implantate.
Na primjer, komora za izgaranje motora Raptor tvrtke SpaceX izgrađena je od tiskanih dijelova Inconel 718 koji ostaju čvrsti čak i nakon dugotrajnog zagrijavanja na 2000 stupnjeva Celzijevih, što omogućuje uvijek iznova korištenje raketa.
3. Vruće izostatičko prešanje (HIP): uklanjanje unutarnjih nedostataka i gušći materijal
Princip procesa: u HIP-u, dijelovi se stavljaju u-spremnik pod visokim tlakom i izlažu atmosferi inertnog plina (poput argona) s visokom temperaturom (obično 1000-1200 stupnjeva) i visokim tlakom (100-200 MPa). Time materijal mijenja oblik, zatvara pore i mikropukotine te postiže gotovo 100% gustoću.
Slučaj upotrebe:
Lopatice turbine i komore za izgaranje dva su važna dijela zrakoplova koji moraju biti u stanju podnijeti vrlo visoke temperature i naprezanja. HIP obrada može riješiti probleme s međuslojnim lijepljenjem i produljiti vijek trajanja od zamora 3 do 5 puta.
Tretman HIP-om koristi se na medicinskim implantatima, uključujući acetabularne čašice i uređaje za spinalnu fuziju, kako bi se osiguralo da su materijali -bez pora, smanjili opasnost od otpuštanja metalnih iona i zadovoljili stroge standarde FDA za biokompatibilnost.
HIP može riješiti probleme uzrokovane zaostalom unutarnjom potporom u složenim strukturnim dijelovima, uključujući mlaznice motora s kanalima za hlađenje, kako bi osigurao njihov dobar rad.
Na primjer, Siemens Energy koristi HIP obradu za izradu lopatica plinske turbine. To smanjuje poroznost ispisanih dijelova s ​​0,5% na 0,01%, poboljšava-izvedbu puzanja pri visokim temperaturama za 40%, a noževima daje vijek od više od 100 000 sati.
4. Kaljenje i popuštanje: pronalaženje prave ravnoteže između tvrdoće i žilavosti
Princip procesa:
Kaljenje: Zagrijavanje komada na temperaturu na kojoj se pretvaraju u austenit i zatim njihovo brzo hlađenje (na primjer, uljem ili vodom) kako bi se dobila martenzitna struktura koja je vrlo tvrda.
Kaljenje: Da biste razbili martenzit, riješili se naprezanja pri kaljenju i učinili materijal čvršćim, držite ga na nižoj temperaturi (150–650 stupnjeva).
Gdje se može koristiti:
Alatni čelik: H13 čelik za kalupe za vrući rad, na primjer, kaljen je na 1050 stupnjeva i temperiran na 580 stupnjeva nakon tiskanja. Ima tvrdoću od 52HRC i 50% povećanje performansi toplinskog zamora, što ga čini dobrim za-kalupe za tlačno lijevanje.
Kaljenje (1050 stupnjeva) i nisko-temperaturno kaljenje (200 stupnjeva) čine nehrđajući čelik, poput 316L, jačim i otpornijim na koroziju. To ga čini dobrim izborom za kemijsku opremu.
Nakon krute otopine i tretmana starenjem, čelik za martenzitno starenje poput 18Ni300 može doseći čvrstoću do 2000MPa. Koristi se za visoko{4}}precizne kalupe ili dijelove zrakoplovnih struktura.
Boeing koristi postupak kaljenja za izradu 3D tiskanih dijelova stajnog trapa od legure titana. To ih čini otpornijima na udarce (35J/cm²) dok zadržavaju visoku čvrstoću, što je ono što FAA zahtijeva za certifikaciju plovidbenosti.
5. Ciklička toplinska obrada: poboljšanje mikrostrukture superlegura
Princip procesa: Mikrostruktura materijala kontrolira se kroz nekoliko ciklusa zagrijavanja i hlađenja. To uključuje pročišćavanje veličine zrna i ravnomjerniju distribuciju sastava, što je dobro za superlegure na bazi-nikla koje je teško obrađivati.
Kada koristiti:
CMSX-4 monokristalna legura: Nakon tiskanja, prolazi kroz višefaznu toplinsku obradu (1280 stupnjeva tijekom 2 sata, 1120 stupnjeva tijekom 4 sata i 870 stupnjeva tijekom 24 sata) kako bi se uklonilo odvajanje dendrita i poboljšalo na visokim temperaturama.
Ciklička toplinska obrada može poboljšati distribuciju karbida i učiniti legure na bazi kobalta-kao što je Stellite 6 20% otpornijima na trošenje, što ih čini dobrima za površine za brtvljenje ventila.
U tipičnom scenariju, Rolls Royce je upotrijebio cikličku toplinsku obradu za izradu diskova turbine zrakoplovnog motora RB3025. Ovo je povećalo životni vijek tiskanih dijelova u niskom ciklusu zamora s 5000 ciklusa na 20000 ciklusa, što je pomoglo u izradi nove generacije motora.
6. Trendovi i problemi u industriji
Inteligentna kontrola: algoritmi umjetne inteligencije mijenjaju postavke toplinske obrade u hodu prateći podatke o temperaturi i stresu u stvarnom vremenu. To vam omogućuje da točno regulirate "jedna peć, jedna politika".
Kompozitni proces: Kombinacijom toplinske obrade s HIP-om, površinskim premazivanjem i drugim procesima, imamo integrirano rješenje pod nazivom "premaz toplinske obrade ispisa" koje radi bolje i brže.
Prilagodljivost materijala: kako bi 3D ispis bio korisniji, nove metalne materijale poput legura visoke entropije i amorfnih legura potrebno je toplinski-obrađivati ​​na inovativne načine.
teško
Trošak: velika ulaganja i operativni troškovi HIP tehnologije otežavaju si male i srednje{0}}poduzeća.
Kontrola deformacije: Tijekom toplinske obrade, složeni konstrukcijski dijelovi mogu se iskriviti, stoga dizajn nosača treba poboljšati simulacijom.
Nedostatak standarda: Industrija nema jedinstveni skup pravila za procese toplinske obrade i treba postojati sveobuhvatan lanac standardnog sustava od materijala do dijelova.