Ποιος είναι ο ρόλος της θερμικής επεξεργασίας ανακούφισης από το στρες στην τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων;

1. Η μέθοδος σχηματισμού και οι κίνδυνοι της υπολειμματικής τάσης
Η φυσική φύση της συσσώρευσης θερμικού στρες
Οι ακτίνες λέιζερ ή ηλεκτρονίων δημιουργούν πολύ υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 2000 μοίρες) σε μικρές τοποθεσίες κατά τη διάρκεια της διαδικασίας τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων. Αυτό λιώνει τη μεταλλική σκόνη και δημιουργεί μια λίμνη λιωμένου μετάλλου. Όταν η δέσμη λέιζερ απομακρύνεται, η λιωμένη πισίνα ψύχεται και σκληραίνει γρήγορα, γεγονός που κάνει τη θερμοκρασία να αλλάζει σε κοντινά μέρη. Αυτή η άνιση θερμική διαστολή και συστολή δημιουργούν ένα πολύπλοκο πεδίο καταπόνησης στο εσωτερικό του εξαρτήματος. Κατά την εκτύπωση βραχιόνων αεροπορίας από κράμα τιτανίου, η αναρτημένη κατασκευή δεν έχει καμία υποστήριξη και η τοπική πίεση μπορεί να πλησιάσει το 80% της αντοχής διαρροής του υλικού, η οποία είναι πολύ υψηλότερη από το όριο ρουλεμάν του υλικού.
Κοινά προβλήματα που προκαλεί το άγχος
Εάν η υπολειπόμενη τάση δεν αφεθεί γρήγορα, θα δημιουργήσει τρία κύρια προβλήματα:
Γεωμετρική αστάθεια: Όταν η τάση είναι πολύ μεγάλη για να συνδεθεί το υλικό με το υπόστρωμα, το τμήμα θα λυγίσει και θα αλλάξει σχήμα. Μια μελέτη περίπτωσης μιας λεπίδας κινητήρα αεροσκάφους διαπίστωσε ότι η λεπίδα που δεν υποβλήθηκε σε επεξεργασία λύγισε κατά 3,2 mm μετά την εκτύπωση, που είναι πολύ μεγαλύτερη από την ανοχή 0,1 mm που απαιτείται για τη συναρμολόγηση.
Έναρξη ρωγμών: Η θέση όπου συσσωρεύεται η τάση είναι πιθανό να είναι εκεί που ξεκινούν οι ρωγμές. Κατά την εκτύπωση δίσκων τουρμπίνας-με βάση το νικέλιο υψηλής-με βάση το κράμα-της θερμοκρασίας, τα μη επεξεργασμένα μέρη έχουν ποσοστό εμφάνισης ρωγμών 42%, αλλά μετά από θερμική επεξεργασία, πέφτει σε λιγότερο από 2%.
Υποβάθμιση απόδοσης: Η υπολειπόμενη καταπόνηση μπορεί να μειώσει τη διάρκεια ζωής των υλικών. Πειράματα έδειξαν ότι η μη επεξεργασμένη κατάσταση των εξαρτημάτων από ανοξείδωτο χάλυβα 316L έχει ως αποτέλεσμα μια μείωση κατά 60% στη διάρκεια ζωής υψηλού κύκλου σε σύγκριση με την κατάσταση μετά τη θερμική επεξεργασία.
2. Η τεχνική θεωρία και διαδικασία διεξαγωγής θερμικής επεξεργασίας ανακούφισης από το στρες
Ο φυσικός τρόπος για να αφήσετε την ένταση
Θερμική επεξεργασία ανακούφισης καταπόνησης σημαίνει θέρμανση του εξαρτήματος σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας (συνήθως 0,4 έως 0,6 φορές το σημείο τήξης) για να γίνει το υλικό πολύ εύκαμπτο. Σε αυτή τη θερμοκρασία, η ικανότητα των ατόμων να κινούνται βελτιώνεται και μικροσκοπικά ελαττώματα όπως εξαρθρώσεις και τρύπες αναδιοργανώνονται, γεγονός που απελευθερώνει αργά την εσωτερική πίεση μέσω μικροσκοπικής πλαστικής παραμόρφωσης. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το κράμα-με βάση το νικέλιο Inconel 718, μετά από 4 ώρες μόνωσης στους 620 βαθμούς, η υπολειπόμενη τάση του μπορεί να μειωθεί από 380 MPa σε λιγότερο από 50 MPa.
Ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της διαδικασίας
Τα κύρια πράγματα που επηρεάζουν τη θερμική επεξεργασία ανακούφισης από το στρες είναι ο ρυθμός θέρμανσης, η θερμοκρασία της μόνωσης, ο χρόνος που χρειάζεται για τη μόνωση και ο τρόπος με τον οποίο κρυώνει:
Ρυθμός θέρμανσης: Δεν πρέπει να ζεσταίνετε πολύ γρήγορα, καθώς αυτό θα μπορούσε να δημιουργήσει περαιτέρω άγχος. Ο ρυθμός θέρμανσης για εξαρτήματα από κράμα αλουμινίου θα πρέπει να διατηρείται σε μικρότερο ή ίσο με 10 βαθμούς/λεπτό.
Θερμοκρασία μόνωσης: Συνήθως σχεδιάζεται να είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία στην οποία σχηματίζονται οι κρύσταλλοι. Το κανονικό εύρος θερμοκρασίας για τη θερμική επεξεργασία κράματος τιτανίου Ti6Al4V είναι 593 έως 649 βαθμούς Κελσίου. Αυτός είναι ο καλύτερος τρόπος για να ανακουφίσετε την ένταση και να βελτιώσετε τη δομή των κόκκων.
Τρόπος ψύξης: Χρησιμοποιήστε ψύξη κλιβάνου ή ψύξη ελεγχόμενου ρυθμού για να αποφύγετε την επιπλέον καταπόνηση που προέρχεται από την πολύ γρήγορη ψύξη. Ένα παράδειγμα ιατρικού εμφυτεύματος δείχνει ότι μια τεχνική ψύξης σταδίου (600 μοίρες → 400 μοίρες → θερμοκρασία δωματίου) μπορεί να ρυθμίσει την παραμόρφωση των εξαρτημάτων εντός 0,05 mm.
Οφέλη ενός περιβάλλοντος κενού
Η θερμική επεξεργασία κενού έχει γίνει η καλύτερη επιλογή για την κατασκευή υψηλών{0}}προϊόντων, καθώς απαλλάσσεται από τους κινδύνους οξείδωσης και μόλυνσης. Οι δοκιμές της εταιρείας TAV Vacuum Furnace Company αποκάλυψαν ότι εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα 316L που υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία-στο κενό έχουν 40% πιο λεία επιφάνεια και 25% καλύτερη αντίσταση στη διάβρωση από τα μέρη που υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία- στον αέρα. Επίσης, μια ατμόσφαιρα κενού μπορεί να σταματήσει προβλήματα όπως η ευθραυστότητα του υδρογόνου, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για τη βιομηχανία αεροσκαφών, όπου η καθαρότητα του υλικού είναι πολύ σημαντική.
3. Η χρησιμότητα της θερμικής επεξεργασίας ανακούφισης από το στρες στον πραγματικό κόσμο και στις επιχειρήσεις
Εγγύηση απόδοσης στην αεροδιαστημική βιομηχανία
Η θερμική επεξεργασία ανακούφισης από το στρες είναι ένα σημαντικό βήμα για την κατασκευή λεπίδων κινητήρων αεροσκαφών, καθώς διασφαλίζει ότι τα εξαρτήματα είναι αξιόπιστα. Η GE Aviation έχει βελτιώσει την τεχνική της θερμικής επεξεργασίας, έτσι ώστε να μειώνει την υπολειπόμενη τάση στις λεπίδες από κράμα με βάση το νικέλιο{1} κατά 75% και να τις κάνει να διαρκούν τρεις φορές περισσότερο. Η διάρκεια ζωής χαμηλής κόπωσης κύκλου του δίσκου στροβίλου σε έναν συγκεκριμένο τύπο κινητήρα στροβιλοανεμιστήρα έχει αυξηθεί από 500 κύκλους σε 2000 κύκλους μετά τη θερμική επεξεργασία. Αυτό ανταποκρίνεται στις ανάγκες ενός-σχεδιασμού μακράς διάρκειας.
Βελτίωση της βιοσυμβατότητας των ιατρικών εμφυτευμάτων
Τα ορθοπεδικά εμφυτεύματα από κράμα τιτανίου πρέπει να είναι και πολύ ισχυρά και πολύ εύκαμπτα. Η θερμική επεξεργασία ανακούφισης από το στρες μπορεί να μειώσει το μέτρο ελαστικότητας των εμφυτευμάτων και να απαλλαγεί από το άγχος επεξεργασίας, το οποίο μπορεί να βοηθήσει στη μείωση του «φαινόμενου θωράκισης του στρες». Πειραματικά στοιχεία υποδεικνύουν ότι το μέτρο των εμφυτευμάτων Ti6Al4V μετά τη θερμική επεξεργασία μειώνεται από 110 GPa σε 85 GPa, ευθυγραμμίζοντας πιο στενά με τον ανθρώπινο οστικό ιστό (10-30 GPa) και ενισχύοντας ουσιαστικά την ολοκλήρωση των οστών.
Κατασκευή καλουπιών με ακριβή έλεγχο
Κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση από χάλυβα καλουπιού, η θερμική επεξεργασία ανακούφισης του στρες μπορεί να σταματήσει τη θερμική παραμόρφωση κατά τη διαδικασία εκτύπωσης και να βεβαιωθεί ότι η κοιλότητα του καλουπιού έχει το σωστό μέγεθος. Μια συγκεκριμένη περίπτωση καλουπιού αυτοκινήτου δείχνει ότι μετά από θερμική επεξεργασία, η ανοχή διαστάσεων της κοιλότητας του καλουπιού κυμαίνεται από ± 0,1 mm σε ± 0,02 mm, το οποίο είναι αυτό που χρειάζεται για τη χύτευση με έγχυση ακριβείας. Ταυτόχρονα, η θερμική επεξεργασία μπορεί να κάνει το καλούπι πιο ανθεκτικό στη φθορά, γεγονός που μπορεί να διπλασιάσει ή να τριπλασιάσει τη διάρκεια ζωής του.