Πώς επηρεάζουν οι παράμετροι θερμικής επεξεργασίας την απόδοση του τελικού εξαρτήματος;

1. Παράμετρος θερμοκρασίας: ανακατασκευή μικροδομής που καθοδηγείται από μετάβαση φάσης
Έλεγχος θερμοκρασίας στερεού διαλύματος και σύστασης φάσης
Η θερμοκρασία της επεξεργασίας του διαλύματος έχει άμεση επίδραση στο πόσο καλά διαλύονται τα στοιχεία κράματος στη μεταλλική μήτρα. Ο ενισχυτικός πυρήνας του τρισδιάστατου εκτυπωμένου ανοξείδωτου χάλυβα 17-4PH είναι τα σωματίδια χαλκού που πέφτουν από τη μαρτενσιτική μήτρα του. Όταν η θερμοκρασία του στερεού διαλύματος διατηρείται μεταξύ 1040 και 1080 μοιρών, το στοιχείο χαλκού διαλύεται πλήρως στη μήτρα ωστενίτη, δημιουργώντας ένα υπερκορεσμένο στερεό διάλυμα. Εάν η θερμοκρασία είναι κάτω από 1000 βαθμούς, τα υπολείμματα χαλκού δεν θα ενισχύσουν αρκετά το υλικό. Εάν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 1100 βαθμούς, το υλικό θα γίνει λιγότερο στιβαρό επειδή οι κόκκοι θα γίνουν μεγαλύτεροι. Σύμφωνα με έρευνα από το Ινστιτούτο Μετάλλων στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, η επεξεργασία HIP στις 950 μοίρες μπορεί να βοηθήσει τον «μαρτενσίτη να αλλάξει σε δομή + δύο φάσεων στο κράμα Ti6Al4V. Αυτό αυξάνει την επιμήκυνση στο 13,15%, ενώ διατηρεί την αντοχή διαρροής στα 909,5 MPa.
Βελτίωση της θερμοκρασίας και της συμπεριφοράς βροχόπτωσης της γήρανσης
Η θεραπεία με το χρόνο κάνει τα πράγματα πιο δυνατά διαχειριζόμενη το μέγεθος και την εξάπλωση των σωματιδίων της δεύτερης φάσης. Η ομάδα Τεχνολογίας του Πανεπιστημίου της Σαγκάης παλαίωσε το κράμα CuCrZr που κατασκευάστηκε από την SLM στους 500 βαθμούς για 1 ώρα. Αυτό αύξησε την αντοχή του σε εφελκυσμό από 460 MPa σε 585 MPa και την αγωγιμότητά του από 31% IACS σε 64% IACS. Ο μηχανισμός ενίσχυσης βασίζεται στο γεγονός ότι τα άτομα Cr βγαίνουν από τη μήτρα του χαλκού κατά τη διαδικασία γήρανσης. Αυτό δημιουργεί σωματίδια CrxZry νανοκλίμακας που σταματούν τη μετανάστευση της εξάρθρωσης μέσω του μηχανισμού ενίσχυσης Orowan. Καθώς η θερμοκρασία γήρανσης ανεβαίνει στους 550 βαθμούς, οι κατακρημνισμένες φάσεις είναι πιο τραχιές, γεγονός που καθιστά το υλικό πιο αδύναμο. Ωστόσο, το υλικό γίνεται πιο όλκιμο, με 20% αύξηση της ολκιμότητας λόγω της πτώσης της αντίστασης ολίσθησης στην εξάρθρωση.
2. Παράμετρος χρόνου: Η ισορροπία μεταξύ της διόρθωσης σφαλμάτων και της απόδοσης
Χρόνος κράτησης και αποτελεσματικότητα κλεισίματος πόρων
Η διάρκεια κράτησης έχει άμεσο αντίκτυπο στο πόσο καλά επιδιορθώνονται οι πόροι μετά τη θεραπεία με HIP. Έρευνα για τη διαδικασία HIP του κράματος Ti6Al4V δείχνει ότι στους 920 βαθμούς /140 MPa, μια επεξεργασία 2 ωρών μπορεί να μειώσει το πορώδες από 0,8% σε 0,02% και να επιτύχει πυκνότητα 99,99%. Εάν ο χρόνος διατήρησης επεκταθεί σε 4 ώρες, το πορώδες μειώνεται περαιτέρω στο 0,005%, αλλά το μέγεθος κόκκου αυξάνεται από 10 μ m σε 15 μ m, με αποτέλεσμα τη μείωση της αντοχής διαρροής κατά 8%. Αυτό σημαίνει ότι ενώ ο χρόνος διατήρησης μπορεί να κάνει τα πράγματα πιο πυκνά, μπορεί επίσης να προκαλέσει παράξενη ανάπτυξη κόκκων. Επομένως, πρέπει να βρεθεί μια ισορροπία μεταξύ της επιδιόρθωσης ελαττωμάτων και της διατήρησης της απόδοσης.
Κινητική αλλαγής φάσης και χρόνος μόνωσης
Ο χρόνος μόνωσης της επεξεργασίας στερεού διαλύματος θα πρέπει να διασφαλίζει ότι όλα τα στοιχεία του κράματος έχουν διαλυθεί πλήρως. Για 3D-εκτυπωμένο κράμα υψηλής-θερμοκρασίας IN718, η διατήρησή του στους 1080 βαθμούς για 1 ώρα μπορεί να διαλύσει πλήρως το στοιχείο Nb στη μήτρα. Εάν η περίοδος μόνωσης μειωθεί στα 30 λεπτά, η φάση ενίσχυσης του '' δεν μπορεί να κατακρημνιστεί πλήρως, γεγονός που μειώνει την απόδοση ερπυσμού σε υψηλές-θερμοκρασίες κατά 40%. Το χρονικό διάστημα που το υλικό μονώνεται κατά τη διάρκεια της θεραπείας γήρανσης επηρεάζει το μέγεθος των φάσεων που σχηματίζονται. Για παράδειγμα, μετά από γήρανση στους 720 βαθμούς για 8 ώρες, η φάση '' σε κράμα 718 έχει μέγεθος 50 nm, το οποίο είναι το καλύτερο για ενίσχυση. Μετά από 16 ώρες γήρανσης, η καταβυθισμένη φάση αυξήθηκε στα 100 nm, γεγονός που έκανε την αντοχή να πέσει κατά 15%.
3. Ρυθμός ψύξης: εξευγενισμός της οργάνωσης και έλεγχος της υπολειπόμενης τάσης
Ο ρυθμός σβέσης και η παραγωγή μαρτενσίτη
Ο ρυθμός με τον οποίο το μέταλλο ψύχεται κατά τη διάρκεια της απόσβεσης επηρεάζει τα προϊόντα μετάβασης φάσης που θα έχει. Για τον τρισδιάστατο εκτυπωμένο χάλυβα εργαλείων H13, ο ρυθμός ψύξης σβέσης λαδιού 50 μοιρών/δευτερόλεπτο μπορεί να κάνει Flat noodles μαρτενσίτη με σκληρότητα 52HRC. Εάν το κρυώσετε με αέρα (5 μοίρες / s), θα σχηματιστεί η δομή του μπαινίτη και η σκληρότητα θα πέσει στα 40 HRC. Παρόλο που το γρήγορο σβήσιμο μπορεί να κάνει τα πράγματα πιο δύσκολα, μπορεί επίσης να τα προκαλέσει ραγίσματα. Για να βρεθεί η σωστή ισορροπία μεταξύ της σκληρότητας και της υπολειπόμενης τάσης, απαιτείται βαθμιαία σβέση (για παράδειγμα, πρώτα ψύξη στους 600 βαθμούς και μετά ψύξη λαδιού).
Χαμηλός ρυθμός ψύξης και ανακούφιση από το στρες
Ο αργός ρυθμός ψύξης κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας ανόπτησης έχει επίδραση στον τρόπο με τον οποίο απελευθερώνεται η υπολειπόμενη τάση. Χρειάστηκαν 2 ώρες για να κρυώσει το κράμα αλουμινίου AlSi10Mg για τρισδιάστατη εκτύπωση από 300 βαθμούς σε θερμοκρασία δωματίου με ρυθμό 5 μοίρες/λεπτό. Αυτό μείωσε την υπολειμματική τάση κατά 70%. Εάν ο ρυθμός ψύξης αυξηθεί στους 20 βαθμούς/λεπτό, η υπολειπόμενη τάση θα μειωθεί μόνο κατά 30%. Η αργή ψύξη βοηθά στην αναδιάταξη της εξάρθρωσης και στη μετανάστευση των ορίων των κόκκων, η οποία ανακουφίζει από το στρες. Ωστόσο, ένας πολύ αργός ρυθμός ψύξης μπορεί να κάνει τους κόκκους να γίνουν πιο χοντροί, επομένως απαιτούνται κατάλληλες ρυθμίσεις βελτιστοποίησης υλικού.
4. Συνεργατική βελτιστοποίηση πολλαπλών-παραμέτρων: από "δοκιμή και σφάλμα" έως τον "ακριβή έλεγχο"
Η ψηφιακή δίδυμη τεχνολογία οδηγεί στην πρόβλεψη παραμέτρων
Η Siemens και η Boeing συνεργάστηκαν για να φτιάξουν μια ψηφιακή διπλή πλατφόρμα που μπορεί να δείξει πώς αλλάζει το πεδίο θερμοκρασίας, το πεδίο τάσης και η μικροδομή του 3D εκτυπωμένου κράματος Ti6Al4V κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας HIP. Το σύστημα μπορεί να βρει την καλύτερη μέθοδο HIP (όπως 920 μοίρες /140 MPa/2h) λαμβάνοντας υπόψη πράγματα όπως το πορώδες εκκίνησης και το μέγεθος κόκκων. Αυτό μπορεί να κάνει τα εξαρτήματα να διαρκέσουν τρεις φορές περισσότερο και να μειώσει τον αριθμό των δοκιμών στο μισό.
Αντιστροφή παραμέτρων με τη βοήθεια μηχανικής μάθησης
Η GE Aviation χρησιμοποιεί τεχνικές μηχανικής εκμάθησης για να εξετάσει 100.000 σύνολα δεδομένων θερμικής επεξεργασίας και να δημιουργήσει ένα μοντέλο χαρτογράφησης "απόδοσης ρυθμού ψύξης θερμοκρασίας χρόνου". Αυτό το μοντέλο μπορεί να βρει ρυθμίσεις διαδικασίας που θα λειτουργήσουν για ορισμένες ανάγκες απόδοσης. Όταν το κράμα IN718 χρειάζεται να διατηρήσει διάρκεια ζωής ερπυσμού 1000 ωρών στους 650 μοίρες, για παράδειγμα, το σύστημα προτείνει ένα σχήμα διαδικασίας γήρανσης 1080 μοιρών /1 ώρα στερεού διαλύματος+720 βαθμού /8 ωρών. Η μετρούμενη διάρκεια ερπυσμού είναι 1200 ώρες.
5. Μελέτη περίπτωσης μιας βιομηχανίας: μετάβαση από το εργαστήριο στο εργοστάσιο
Το πεδίο της αεροδιαστημικής
Για να βελτιώσει την τρισδιάστατη εκτύπωση δίσκων τουρμπίνας από κράμα-με βάση το νικέλιο υψηλής-θερμοκρασίας, η Rolls Royce υιοθετεί επεξεργασία HIP. Τα εξαρτήματα που έχουν υποστεί επεξεργασία με HIP έχουν διάρκεια ζωής ερπυσμού 173 ωρών σε υψηλή θερμοκρασία 1400 βαθμών, που είναι περισσότερες από τις 50 ώρες που χρειάζονταν για βασικά εξαρτήματα των κινητήρων GE9X.
Τομέας Ιατρικών Εμφυτευμάτων
Μετά από 950 μοίρες για 4 ώρες θεραπείας HIP στο τρισδιάστατο εκτυπωμένο εμφύτευμα άρθρωσης ισχίου Ti6Al4V από την Johnson&Johnson, η μέγιστη αντοχή του σε κόπωση έφτασε τα 550 MPa (107 κύκλοι), που είναι ίδια με την κατάσταση της σφυρηλατημένης ανόπτησης. Ταυτόχρονα, η τραχύτητα επιφάνειας Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.