Milline on stressi leevendamise kuumtöötluse roll metalli 3D-printimisel?

1. Jääkpinge tekkemeetod ja ohud
Termilise pinge akumuleerumise füüsiline olemus
Laser- või elektronkiired tekitavad metallist 3D-printimise käigus väikestes kohtades väga kõrgeid temperatuure (üle 2000 kraadi). See sulatab metallipulbri ja moodustab sulametalli basseini. Laserkiire eemale nihutamisel sulabassein jahtub ja kõvastub kiiresti, mistõttu temperatuur lähedalasuvates kohtades muutub. See ebaühtlane soojuspaisumine ja kokkutõmbumine loovad detaili sees keerulise pingevälja. Titaanisulamist lennukiklambrite printimisel ei ole rippkonstruktsioonil tuge ja kohalik pinge võib läheneda 80%-le materjali voolavuspiirist, mis on palju suurem kui materjali kandevõime.
Levinud probleemid, mida stress põhjustab
Kui jääkpinget kiiresti lahti ei lasta, tekitab see kolm peamist probleemi:
Geomeetriline ebastabiilsus: kui pinge on liiga suur, et materjal ei saaks aluspinnaga seostuda, paindub detail ja muudab kuju. Lennuki mootori laba juhtumiuuringus leiti, et töötlemata tera paindus pärast printimist 3,2 mm, mis on palju rohkem kui kokkupanekuks vajalik 0,1 mm tolerants.
Pragude teke: koht, kus pinge koguneb, on tõenäoliselt koht, kus praod algavad. Nikkel{1}}põhinevate kõrgtemperatuurse-sulamist turbiiniketaste printimisel on töötlemata osade pragude esinemissagedus 42%, kuid pärast kuumtöötlemist langeb see alla 2%.
Toimivuse halvenemine: jääkpinge võib lühendada materjalide eluiga. Katsed on näidanud, et 316-liitriste roostevabast terasest komponentide töötlemata olek vähendab 60% tsüklilist väsimust võrreldes kuumtöötlemisjärgse seisukorraga.
2. Pinge leevendamise kuumtöötluse tehniline teooria ja protsess
Füüsiline viis pingetest vabanemiseks
Pinge leevendamise kuumtöötlus tähendab detaili kuumutamist teatud temperatuurivahemikus (tavaliselt 0,4–0,6 korda sulamistemperatuurist), et materjal oleks väga painduv. Sellel temperatuuril paraneb aatomite liikumisvõime ning väikesed vead, nagu nihestused ja augud, reorganiseeritakse, mis vabastab aeglaselt sisemise pinge väikese plastilise deformatsiooniga. Võttes näiteks nikli -põhise sulami Inconel 718, saab pärast 4-tunnist isolatsiooni 620 kraadi juures selle jääkpinget alandada 380 MPa-lt alla 50 MPa.
Protsessi parameetrite täpne juhtimine
Peamised tegurid, mis mõjutavad pinget leevendavat kuumtöötlust, on kuumutuskiirus, isolatsiooni temperatuur, isoleerimiseks kuluv aeg ja jahtumisviis:
Kuumutamiskiirus: Ärge kuumenege liiga kiiresti, kuna see võib tekitada täiendavat stressi. Alumiiniumsulamist osade kuumutamise kiirus peaks olema väiksem kui 10 kraadi minutis või sellega võrdne.
Isolatsiooni temperatuur: tavaliselt projekteeritakse madalamaks kui temperatuur, mille juures kristallid moodustuvad. Titaanisulami Ti6Al4V kuumtöötlemise normaalne temperatuurivahemik on 593–649 kraadi Celsiuse järgi. See on parim viis pingete leevendamiseks ja terade struktuuri parandamiseks.
Kuidas jahutada: kasutage ahjujahutust või kontrollitud kiirusega jahutust, et vältida liigset pinget, mis tuleneb liiga kiirest jahutamisest. Meditsiinilise implantaadi näide näitab, et lava jahutustehnika (600 kraadi → 400 kraadi → toatemperatuur) võib reguleerida komponentide deformatsiooni 0,05 mm piires.
Vaakumkeskkonna eelised
Vaakumkuumtöötlusest on saanud tipptasemel{0}}tootmise parim valik, kuna see eemaldab oksüdatsiooni- ja saastumise riski. Ettevõtte TAV Vacuum Furnace Company testid on näidanud, et 316L roostevabast terasest osadel, mida töödeldakse vaakumis, on 40% siledam pind ja 25% parem korrosioonikindlus kui õhu käes kuumtöödeldud osadel. Samuti võib vaakumatmosfäär peatada sellised probleemid nagu vesiniku rabestumine, mis muudab selle ideaalseks lennukitööstuses, kus materjali puhtus on väga oluline.
3. Stressi leevendamise kuumtöötluse kasulikkus reaalses maailmas ja äris
Tulemuslikkuse garantii lennundustööstuses
Stressi leevendav kuumtöötlus on oluline samm lennukimootori labade valmistamisel, kuna see tagab osade töökindluse. GE Aviation on täiustanud kuumtöötlemise tehnikat, nii et see vähendab monokristalli nikli -sulamist terades jääkpinget 75% võrra ja muudab need kolm korda pikemaks. Turbiiniketta madala tsükliga väsimise eluiga teatud tüüpi turboventilaatormootoris on pärast kuumtöötlemist tõusnud 500 tsüklilt 2000 tsüklini. See vastab pikaealise-disaini vajadustele.
Meditsiiniliste implantaatide biosobivuse parandamine
Titaanisulamist valmistatud ortopeedilised implantaadid peavad olema nii väga tugevad kui ka väga paindlikud. Stressi leevendav kuumtöötlus võib alandada implantaatide elastsusmoodulit ja vabaneda töötlemispingest, mis võib aidata vähendada "stressikaitseefekti". Eksperimentaalsed tõendid näitavad, et Ti6Al4V implantaatide moodul pärast kuumtöötlemist väheneb 110 GPa-lt 85 GPa-le, joondudes paremini inimese luukoega (10-30 GPa) ja parandades oluliselt luude integratsiooni.
Vormi valmistamine täpse kontrolliga
Vormiterasest 3D-printimisel võib pingevaba kuumtöötlus peatada printimisprotsessi ajal termilise deformatsiooni ja veenduda, et vormiõõnsus on õige suurusega. Teatud autovormi korpus näitab, et pärast kuumtöötlemist läheb vormiõõnsuse mõõtmete tolerants ± 0,1 mm kuni ± 0,02 mm, mis on vajalik täppissurvevalu jaoks. Samal ajal võib kuumtöötlemine muuta hallituse kulumiskindlamaks, mis võib kahe- või kolmekordistada selle eluiga.