Hoće li toplinska obrada metalnog 3D ispisa uzrokovati deformaciju?

一, Tehnička bit toplinske obrade: Organizacijska regulacija i optimizacija učinka
Zagrijavanjem, izoliranjem i hlađenjem metalnih materijala tijekom toplinske obrade mijenja se njihova mikrostruktura, čime se poboljšavaju njihova mehanička svojstva. U 3D ispisu metala, glavni ciljevi toplinske obrade su:
Uklanjanje zaostalog naprezanja: Kad se materijal ispisuje, prolazi kroz brze cikluse zagrijavanja i hlađenja, što uzrokuje savijanje unutarnje rešetke i stvara zaostalo naprezanje. Kako bi se smanjila napetost, dio se zagrijava ispod temperature rekristalizacije materijala (na primjer, držanje legure titana na 800 stupnjeva 2 sata). To opušta rešetku i smanjuje opasnost od deformacije tijekom kasnije obrade ili uporabe.
Poboljšanje strukture zrna: obrada krutom otopinom (poput aluminijske legure 7075 na 470 stupnjeva) može razgraditi faze ojačanja, dok obrada starenjem (poput 120 stupnjeva tijekom 24 sata) može uzrokovati stvaranje faza taloženja na nanomjernoj razini, što rezultira kombiniranim povećanjem čvrstoće i žilavosti. Ovaj proces čini zrna manja i manje je vjerojatno da će promijeniti volumen kada se faza promijeni, što čini sklonost deformaciji manjom.
Rješavanje unutarnjih problema: Tehnologija vrućeg izostatičkog prešanja (HIP) sinergistički povećava gustoću materijala na više od 99,9% kombinacijom visokog tlaka od 100-150 MPa i visoke temperature od 1000-1200 stupnjeva, zatvarajući mikropukotine i pore i eliminirajući lokalnu koncentraciju naprezanja uzrokovanu neravnomjernim skupljanjem.
2, Mehanizam deformacije uzrokovan toplinskom obradom je kombinirani učinak toplinskog naprezanja i promjena u mikrostrukturi.
Cilj toplinske obrade je ukloniti rizik od deformacije, ali ako se radi pogrešno, nove deformacije ipak mogu nastati. Glavni načini na koje se to događa su:
Nakupljanje toplinskog naprezanja: kada se dio zagrijava i hladi, temperaturna razlika između vanjske i unutarnje strane dijela uzrokuje različito širenje i skupljanje dijela, što stvara toplinsko naprezanje. Na primjer, kada se tanko{1}}dijelovi brzo ohlade, izvana se skuplja brže od unutrašnjosti. To može uzrokovati iskrivljenje ili uvijanje predmeta.
Promjena u volumenu organizacijske transformacije: Promjene u gustoći materijala tijekom procesa faznog prijelaza uzrokuju smanjenje ili rast volumena. Na primjer, kada se dogodi martenzitna transformacija, volumen je veći, a ako otpuštanje naprezanja nije glatko, moglo bi doći do pukotina.
Kako potporna struktura utječe: Područje gdje se spajaju potpora za ispis i podloga vjerojatno će postati točka koncentracije naprezanja tijekom toplinske obrade. Ako dizajn nosača nije ispravan, mogao bi se saviti kada se nosač skine nakon toplinske obrade zbog oslobađanja naprezanja u jednom području.
3, Strategija za kontrolu deformacije: Poboljšanje procesa i iznalaženje novih tehnologija
Kako bi uravnotežili učinke toplinske obrade i rizik od deformacije, industrija je osmislila sustavni plan upravljanja koji promatra tri područja: materijale, procese i opremu:
1. Odabir materijala i njihova priprema
Legure na bazi nikla- poput Inconela 718 imaju niži koeficijent toplinskog širenja (12,5 × 10 ⁻⁶/ stupanj ) od legura titana (8,6 × 10 ⁻⁶/ stupanj ). To znači da mogu spriječiti nakupljanje toplinskog stresa.
Dizajn prije deformacije: Koristite softver za simulaciju kao što je VoxelDance Engineering da predvidite kako će toplinska obrada promijeniti oblik materijala. Zatim upotrijebite obrnutu pred-deformaciju na izvornom modelu kako bi kompenzirani model bio prave veličine nakon toplinske obrade. Na primjer, nakon prilagodbe prije-izobličenja, točnost ispisa tankih-dijelova sa specifičnom zakrivljenom površinom poboljšana je za 66,2%, a uklonjeno je 98,6% područja značajne deformacije.
2. Poboljšanje parametara procesa
Grijanje i hlađenje u dijelovima: korištenje strategije postupnog grijanja (kao što je držanje na 50 stupnjeva 30 minuta) i odgođeno hlađenje (kao što je hlađenje zrakom nakon hlađenja peći na 200 stupnjeva) kako bi se smanjio toplinski stres uzrokovan promjenama temperature. Na primjer, nakon HIP tretmana, turbinske lopatice GE zrakoplovnih motora traju tri puta dulje i ne mijenjaju oblik više od 0,05% vremena.
Tehnologija za usmjerenu kristalizaciju: MIT-ov postupak usmjerene kristalizacije prilagođava brzinu zagrijavanja (na primjer, 2,5 cm/h) i temperaturu (1235 stupnjeva) kako bi se zrna razvila u određenom smjeru u stupčaste formacije. To čini materijal otpornijim na puzanje i manje je vjerojatno da će se izobličiti na visokim temperaturama.
3. Novi alati i oprema
Prilagodljivi sustav učvršćenja: Laboratorij Fraunhofer ILPT u Njemačkoj stvorio je fleksibilno učvršćenje koje koristi dušične plinske opruge za pružanje dinamičke sile stezanja, nadoknađuje razlike u toplinskom širenju tijekom ispisa i sprječava deformacije struktura tankih{2}}stjenki od 3m × 2m za više od ± 0,3 mm.
Tehnologija lokalne toplinske obrade: Indukcijsko grijanje ili laserska lokalna toplinska obrada koristi se na velikim komadima kako bi se spriječilo njihovo deformiranje kada se zagrijavaju po cijeloj površini. Na primjer, određeni zrakoplovni nosač dosegao je vlačnu čvrstoću od 520 MPa i dimenzijsku stabilnost veću od ± 0,1 mm zahvaljujući lokalnoj obradi otopinom.
4, granični slučaj: nova upotreba deformacije toplinske obrade
Boeing koristi čvrstu otopinu i tehniku ​​tretmana starenjem u zrakoplovnoj industriji kako bi 3D tiskane nosače zrakoplova učinio jačima, s vlačnom čvrstoćom od 520 MPa. U isto vrijeme, dizajn prije-deformacije održava deformaciju unutar ± 0,05 mm kako bi zadovoljio stroge aerodinamičke standarde.
Medicinski implantati: Određena tvrtka smislila je novi način izrade acetabularnih čašica od legure titana kombinirajući "žarenje za ublažavanje stresa" s "jetkanjem kiselinom". Ovaj proces uklanja unutarnje naprezanje kroz žarenje, a zatim stvara mikroporoznu strukturu veličine od 5 do 10 μm kroz kiselo nagrizanje. To pomaže rastu koštanih stanica bez promjene veličine čašica.
Energetska oprema: Siemens Energy proizvodi lopatice plinske turbine pomoću HIP+ tehnologije usmjerene kristalizacije. To čini materijal gustoćom od 99,95% i čini ga 40% otpornijim na puzanje. Može raditi 100.000 sati bez promjene oblika na temperaturi od 1200 stupnjeva.