Kas kuumtöötlus võib parandada metallist 3D-prinditud osade väsimust?

一, Väsimuse peamiseks probleemiks on see, et 3D-prinditud osadel on sünnist saati vigu.
Metallist 3D-printimise väsimusjõudlusega seotud probleemid tulenevad selle valmistamisest. Kasutades näitena titaanisulamit (Ti-6Al-4V), sulatab pulberkihi sulatamise (PBF) meetod metallipulbri kiiresti ja seejärel tahkub. See põhjustab järgmisi probleeme:
Mikrostruktuuri heterogeensus: Peamistel teradel on krobeline sammaskujuline struktuur, rohkem faasi terade servade lähedal, mis muudab väsimuspragude tekkimise lihtsamaks.
Augud ja lüngad: kui pulber ei sulandu täielikult või gaas lahustub, võib sisemine poorsus olla kuni 0,5–2%, mis vähendab oluliselt väsimuspiiri.
Jääkpinge: Kiirest jahtumisest tulenev tõmbepinge võib olla 50–70% materjali voolavuspiirist, mis kiirendab pragude teket.
Hiina Teaduste Akadeemia metallide instituut leidis, et tüüpilise 3D-printimise titaanisulami pingutuspinge ja väsimustugevus on vaid 475 MPa, mis on palju madalam kui 900 MPa, mis peaks sepistamise korral olema. Selle põhjuseks on peamiselt poorid ja kare tekstuur, mis põhjustavad pragusid.
2, kuumtöötlustehnoloogia tee kulgeb defektidest vabanemisest organisatsiooni paremaks muutmiseni.
Temperatuuri, kestuse ja jahutuskiiruse juhtimisega saavutab kuumtöötlus kolme peamise eesmärgi:
1. Sisemiste puuduste kõrvaldamine: kuumisostaatpressimise tehnoloogia (HIP)
HIP-protsess kasutab inertgaasi, nagu argooni, rõhu liigutamiseks väga kõrgetel temperatuuridel (900–1250 kraadi) ja väga kõrgel rõhul (100–200 MPa). See muudab materjali kuju ja sulgeb selle sees olevad augud. Näiteks:
Lennunduses kasutas GE Aviation Inconel 718 turbiinilabade printimiseks SLM-i ja seejärel nende töötlemiseks HIP-i. See vähendas poorsust 0,8%-lt 0,02%-le ja kolmekordistas väsimuse kestust.
Titaanisulamite täiustamine: Chongqingis asuv ettevõte kasutas Ti-6Al-4V 3D-printimiseks HIP-töötlust. See tõstis väsimuspiiri 550 MPa-lt 900 MPa-le, mis on sama, mis sepistatud seisukorras, ja muutis materjali palju vähem anisotroopseks.
2. Terasuuruse ühtlasemaks ja mikrostruktuuri ühtlasemaks muutmiseks kasutatakse suunavat ümberkristallimise tehnoloogiat.
MIT-i suunatud ümberkristallimise protseduur kontrollib temperatuuri gradienti (näiteks tõmmates 2,5 mm/h 1235 kraadi juures), et luua sammaskujulisi kristallstruktuure, pannes terad teatud suunas kasvama. See tehnika:
Roomamise peatamiseks joondage sammaskujulised kristallid kõrgeima pingeteljega, peatage terapiiride libisemine kõrgel temperatuuril ja kahekordistage nikli{0}}põhiste kõrgel temperatuuril{1}}sulamite roomamisiga.
Väsimuskindluse suurendamine: Gaasiturbiini labade kasutamisel suurendab jämeda tera ja dislokatsioonivigade eemaldamine vastupidavust väsimuspragude tekkele 60%.
3. Faasimuutuste kontroll: tahke lahus vananemistöötlusega
Selliste materjalide puhul nagu alumiiniumisulamid rikub lahuse töötlemine (näiteks 540 kraadi juures 2 tundi hoidmine) tugevdusfaasi. Seejärel tekitab vananemistöötlus (nagu 155 kraadi juures 8 tundi hoidmine) nanomõõtmeliste sademete (nagu θ-faas) moodustumist.
Tugevuse ja sitkuse tasakaal: Pärast T6 kuumtöötlust tõusis alumiiniumsulami F357 voolavuspiir 280 MPa-lt 380 MPa-ni, kuid pikenemine jäi samaks 12%.
Quintus Technologies URQ{0}}HIP-protsess ühendab tahke lahuse ja kõrgsurvetöötluse
3, Inseneripraktika: üleminek laborist industrialiseerimisele
1. Lennunduse valdkond
Siemens kasutab SLM-i, et printida nikli{0}}põhistel kõrgel temperatuuril{1}}sulamist terasid. Seejärel töödeldakse neid labasid HIP-i ja suunatud ümberkristallimisega, et lisada keerukaid jahutuskanaleid, mis muudab turbiini 5% efektiivsemaks ja kasutab 3% vähem kütust.
Kerged konstruktsiooniosad: Boeing 787-l on 3D-prinditud titaanisulamist kronsteinid, mida kuumutatakse kaks korda (HIP+vananemine), et muuta need 40% tugevamaks ja 30% kergemaks.
2. Meditsiiniseadmete tööstus
Johnson&Johnson Medical vaakumiga lõõmutatud 3D prinditud puusaliigesed, et vabaneda pinna jääkpingest. Seejärel kasutasid nad keemilist poleerimist, et muuta pind siledamaks kuni Ra0,8 μm ja anda implantaatidele rohkem kui 20-aastane väsimus.
Väsimusvastane-disain: Hiina Teaduste Akadeemia NAMP-tehnika (defektide ja kudede järkjärguline-sammuline-reguleerimine) on tõstnud Ti-6Al-4V implantaadi tõmbeväsimustugevust 475 MPa-lt 978 MPa-le, mis on maailma kõrgeim tase.
3. Energiaseadmete teema
Gaasiturbiini remont: MIT-i meeskond parandas 3D--prinditud nikli--põhise sulami põlemiskambri, kasutades suunatud ümberkristallimistöötlust. See töötlemine võimaldas kambril taluda 200 MPa pinget kõrgel temperatuuril 650 kraadi ja vähendada roomemiskiirust 80%.
Tuumaenergia osad: EDF Group Prantsusmaal kasutab roostevabast terasest torude ühenduste 3D-printimisel HIP-töötlust. See eemaldab sisemised vead ja muudab liitekohad korrosioonikindlamaks tänu lahuse töötlemisele, et täita tuumaohutuse eeskirju.