Koja je uloga toplinske obrade za ublažavanje stresa u 3D ispisu metala?

1. Način nastanka i opasnosti od zaostalog naprezanja
Fizička priroda akumulacije toplinskog naprezanja
Laserske ili elektronske zrake stvaraju vrlo visoke temperature (preko 2000 stupnjeva) na malim mjestima tijekom procesa metalnog 3D ispisa. Ovo topi metalni prah i stvara bazen rastaljenog metala. Kada se laserska zraka odmakne, otopljeni bazen se brzo ohladi i stvrdne, što dovodi do promjene temperature na obližnjim mjestima. Ovo neravnomjerno toplinsko širenje i skupljanje stvara komplicirano polje naprezanja unutar dijela. Prilikom tiskanja zrakoplovnih nosača od legure titana, viseća struktura nema nikakvu potporu, a lokalno naprezanje može se približiti 80% granice razvlačenja materijala, što je daleko više od granice nosivosti materijala.
Uobičajeni problemi koje uzrokuje stres
Ako se zaostala napetost brzo ne otpusti, proizvest će tri glavna problema:
Geometrijska nestabilnost: Kada je napetost prevelika da bi se materijal mogao vezati za podlogu, dio će se saviti i promijeniti oblik. Studija slučaja oštrice motora zrakoplova otkrila je da se oštrica koja nije tretirana savijala za 3,2 mm nakon ispisa, što je daleko više od tolerancije od 0,1 mm potrebne za sastavljanje.
Početak pukotine: Mjesto na kojem se nakuplja napetost vjerojatno je mjesto gdje pukotine počinju. Prilikom tiskanja visokotemperaturnih-legura turbinskih diskova na bazi nikla, neobrađeni dijelovi imaju stopu pojave pukotina od 42%, ali nakon toplinske obrade ona pada na manje od 2%.
Degradacija performansi: Preostalo naprezanje može skratiti životni vijek materijala. Eksperimenti su pokazali da neobrađeno stanje komponenata od nehrđajućeg čelika 316L rezultira smanjenjem vijeka trajanja od zamora u visokom ciklusu za 60% u usporedbi sa stanjem nakon -toplinske obrade.
2. Tehnička teorija i postupak izvođenja toplinske obrade za rasterećenje
Fizički način otpuštanja napetosti
Toplinska obrada za smanjenje naprezanja znači zagrijavanje dijela do određenog temperaturnog raspona (obično 0,4 do 0,6 puta od točke taljenja) kako bi materijal bio vrlo savitljiv. Na ovoj temperaturi poboljšava se sposobnost kretanja atoma, a sićušni nedostaci poput dislokacija i rupa se reorganiziraju, što polako oslobađa unutarnje naprezanje sitnom plastičnom deformacijom. Uzimajući za primjer leguru Inconel 718 na bazi nikla, nakon 4 sata izolacije na 620 stupnjeva, njezino zaostalo naprezanje može se smanjiti s 380 MPa na manje od 50 MPa.
Točna kontrola parametara procesa
Glavne stvari koje utječu na toplinsku obradu za ublažavanje naprezanja su brzina zagrijavanja, temperatura izolacije, vrijeme potrebno za izolaciju i način na koji se hladi:
Brzina zagrijavanja: Ne smijete se zagrijavati prebrzo jer bi to moglo stvoriti dodatni stres. Brzina zagrijavanja za dijelove od aluminijske legure trebala bi biti manja od ili jednaka 10 stupnjeva / min.
Temperatura izolacije: Obično je dizajnirana da bude niža od temperature na kojoj nastaju kristali. Normalni temperaturni raspon za toplinsku obradu legure titana Ti6Al4V je 593 do 649 stupnjeva Celzijusa. Ovo je najbolji način za ublažavanje napetosti i poboljšanje strukture zrna.
Kako hladiti: Koristite hlađenje peći ili hlađenje kontroliranom brzinom kako biste izbjegli dodatni stres koji dolazi od prebrzog hlađenja. Primjer medicinskog implantata pokazuje da tehnika hlađenja stupnja (600 stupnjeva → 400 stupnjeva → sobna temperatura) može regulirati deformaciju komponenti unutar 0,05 mm.
Prednosti vakuumskog okruženja
Vakuumska toplinska obrada postala je najbolji izbor-za vrhunsku proizvodnju budući da se oslobađa rizika od oksidacije i kontaminacije. Testovi tvrtke TAV Vacuum Furnace Company otkrili su da komponente od nehrđajućeg čelika 316L koje su topli-obrađene u vakuumu imaju 40% glatkiju površinu i 25% bolju otpornost na koroziju od dijelova koji su topli-obrađeni na zraku. Također, vakuumska atmosfera može zaustaviti probleme poput vodikove krtosti, što je čini savršenom za zrakoplovnu industriju, gdje je čistoća materijala vrlo važna.
3. Korisnost toplinske obrade za ublažavanje stresa u stvarnom svijetu iu poslovanju
Jamstvo performansi u zrakoplovnoj industriji
Toplinska obrada za smanjenje naprezanja važan je korak u izradi lopatica zrakoplovnih motora budući da osigurava pouzdanost dijelova. GE Aviation poboljšao je tehniku ​​toplinske obrade tako da smanjuje zaostalo naprezanje u monokristalnim lopaticama od legura-na bazi nikla za 75% i čini da traju tri puta dulje. Vijek trajanja diska turbine od zamora u niskom ciklusu u određenoj vrsti turboventilatorskog motora prešao je s 500 ciklusa na 2000 ciklusa nakon toplinske obrade. Ovo zadovoljava potrebe dizajna s dugim-životom.
Poboljšanje biokompatibilnosti medicinskih implantata
Ortopedski implantati izrađeni od legure titana moraju biti i vrlo čvrsti i vrlo fleksibilni. Toplinska obrada za ublažavanje naprezanja može smanjiti modul elastičnosti implantata i osloboditi se naprezanja pri obradi, što može pomoći u smanjenju "učinaka zaštite od naprezanja". Eksperimentalni dokazi pokazuju da se modul Ti6Al4V implantata nakon -toplinske obrade smanjuje sa 110 GPa na 85 GPa, bliže se usklađujući s ljudskim koštanim tkivom (10-30 GPa) i značajno poboljšavajući integraciju kosti.
Proizvodnja kalupa s preciznom kontrolom
Kada se 3D ispisuje kalupni čelik, toplinska obrada za ublažavanje naprezanja može spriječiti toplinsku deformaciju tijekom procesa ispisa i osigurati da šupljina kalupa bude odgovarajuće veličine. Kućište određenog kalupa za automobil pokazuje da nakon toplinske obrade tolerancija dimenzija šupljine kalupa ide od ± 0,1 mm do ± 0,02 mm, što je potrebno za precizno brizganje. Istodobno, toplinska obrada može kalup učiniti otpornijim na trošenje, što može udvostručiti ili utrostručiti njegov vijek trajanja.