Μπορεί η θερμική επεξεργασία να βελτιώσει την απόδοση κόπωσης των μεταλλικών 3D εκτυπωμένων εξαρτημάτων;

一, Το κύριο πρόβλημα με την απόδοση κόπωσης είναι ότι τα 3D εκτυπωμένα μέρη έχουν σφάλματα από τη γέννηση.
Τα προβλήματα με την απόδοση κόπωσης της μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης προέρχονται από τον τρόπο κατασκευής της. Χρησιμοποιώντας κράμα τιτανίου (Ti-6Al-4V) ως παράδειγμα, η μέθοδος τήξης σε στρώμα σκόνης (PBF) λιώνει γρήγορα τη σκόνη μετάλλου και στη συνέχεια τη στερεοποιεί. Αυτό προκαλεί τα ακόλουθα προβλήματα:
Ετερογένεια μικροδομής: Οι κύριοι κόκκοι έχουν μια τραχιά στηλώδη δομή, με περισσότερη φάση κοντά στις άκρες των κόκκων, γεγονός που διευκολύνει την έναρξη των ρωγμών κόπωσης.
Τρύπες και κενά: Εάν η σκόνη δεν λιώσει πλήρως ή το αέριο διαλυθεί, το εσωτερικό πορώδες μπορεί να είναι τόσο υψηλό από 0,5% έως 2%, γεγονός που μειώνει σημαντικά το όριο κόπωσης.
Υπολειμματική τάση: Η εφελκυστική τάση που προέρχεται από τη γρήγορη ψύξη μπορεί να είναι 50% έως 70% της αντοχής διαρροής του υλικού, γεγονός που επιταχύνει την ανάπτυξη των ρωγμών.
Το Ινστιτούτο Μετάλλων, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, διαπίστωσε ότι η αντοχή σε κόπωση τάσης του τυπικού κράματος τιτανίου τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι μόνο 475 MPa, το οποίο είναι πολύ χαμηλότερο από τα 900 MPa που θα έπρεπε να είναι όταν σφυρηλατείται. Αυτό οφείλεται κυρίως στους πόρους και την τραχιά υφή που προκαλούν ρωγμές.
2, Ο δρόμος της τεχνολογίας θερμικής επεξεργασίας πηγαίνει από την απαλλαγή από ελαττώματα έως την καλύτερη οργάνωση.
Με τη διαχείριση της θερμοκρασίας, της διάρκειας και του ρυθμού ψύξης, η θερμική επεξεργασία επιτυγχάνει τρεις κύριους στόχους:
1. Απαλλαγή από ελαττώματα στο εσωτερικό: Η τεχνολογία της θερμής ισοστατικής πίεσης (HIP)
Η διαδικασία HIP χρησιμοποιεί ένα αδρανές αέριο, όπως το αργό, για να μετακινήσει την πίεση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (900–1250 μοίρες) και πολύ υψηλές πιέσεις (100–200 MPa). Αυτό κάνει το υλικό να αλλάξει σχήμα και να κλείνει τυχόν τρύπες μέσα του. Για παράδειγμα:
Στην αεροδιαστημική, η GE Aviation χρησιμοποίησε το SLM για να εκτυπώσει τα πτερύγια του στροβίλου Inconel 718 και μετά το HIP για να τα επεξεργαστεί. Αυτό μείωσε το πορώδες από 0,8% σε 0,02% και τριπλασίασε τη διάρκεια ζωής της κόπωσης.
Βελτίωση κραμάτων τιτανίου: Μια επιχείρηση στο Chongqing χρησιμοποίησε επεξεργασία HIP για την τρισδιάστατη εκτύπωση Ti-6Al-4V. Αυτό αύξησε το όριο κόπωσης από 550 MPa σε 900 MPa, που είναι ίδια με την κατάσταση σφυρηλάτησης, και έκανε το υλικό πολύ λιγότερο ανισότροπο.
2. Η τεχνολογία κατευθυντικής ανακρυστάλλωσης χρησιμοποιείται για να κάνει το μέγεθος των κόκκων πιο ομοιόμορφο και τη μικροδομή πιο ομοιόμορφη.
Η διαδικασία κατευθυντικής ανακρυστάλλωσης του MIT ελέγχει τη διαβάθμιση θερμοκρασίας (για παράδειγμα, σχεδίαση στα 2,5 mm/h σε 1235 μοίρες) για να δημιουργήσει κολονοειδείς κρυσταλλικές δομές κάνοντας τους κόκκους να αναπτυχθούν προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αυτή η τεχνολογία:
Για να σταματήσετε τον ερπυσμό, ευθυγραμμίστε τους κολονοειδείς κρυστάλλους με τον άξονα υψηλότερης τάσης, σταματήστε την ολίσθηση των ορίων κόκκων σε υψηλές θερμοκρασίες και διπλασιάστε τη διάρκεια ζωής ερπυσμού των κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας-με βάση το νικέλιο.
Ενίσχυση της αντοχής στην κόπωση: Στη χρήση πτερυγίων αεριοστροβίλου, η απαλλαγή από χονδροειδή ελαττώματα και εξάρθρωση αυξάνει την αντίσταση στην έναρξη των ρωγμών κόπωσης κατά 60%.
3. Έλεγχος αλλαγών φάσης: στερεό διάλυμα με θεραπεία γήρανσης
Για υλικά όπως κράματα αλουμινίου, η επεξεργασία με διάλυμα (όπως η διατήρηση στους 540 βαθμούς για 2 ώρες) διασπά τη φάση ενίσχυσης. Στη συνέχεια, η επεξεργασία γήρανσης (όπως η διατήρηση στους 155 βαθμούς για 8 ώρες) δημιουργεί ιζήματα νανοκλίμακας (όπως η φάση θ).
Ισορροπία αντοχής και σκληρότητας: Μετά τη θερμική επεξεργασία T6, η αντοχή διαρροής του κράματος αλουμινίου F357 αυξήθηκε από 280 MPa σε 380 MPa, αλλά η επιμήκυνση παρέμεινε ίδια στο 12%.
Η διαδικασία URQ-HIP της Quintus Technologies συνδυάζει στερεό διάλυμα και επεξεργασία υψηλής-πίεσης για να αποτρέψει το άνοιγμα των πόρων, γεγονός που δίνει στο κράμα αλουμινίου F357 μεγαλύτερη διάρκεια κόπωσης από τα στάνταρ χύτευση MMPDS.
3, Μηχανική Πρακτική: Μετάβαση από το Εργαστήριο στη Βιομηχανοποίηση
1. Ο τομέας της αεροδιαστημικής
Η Siemens χρησιμοποιεί SLM για την εκτύπωση λεπίδων από κράμα-με βάση το νικέλιο υψηλής-θερμοκρασίας. Αυτά τα πτερύγια στη συνέχεια υποβάλλονται σε επεξεργασία με HIP και κατευθυνόμενη ανακρυστάλλωση για να προστεθούν περίπλοκα κανάλια ψύξης, γεγονός που καθιστά τον στρόβιλο 5% πιο αποδοτικό και χρησιμοποιεί 3% λιγότερο καύσιμο.
Ελαφρύ δομικά μέρη: Το Boeing 787 διαθέτει 3D-εκτυπωμένους βραχίονες από κράμα τιτανίου που θερμαίνονται δύο φορές (HIP+γήρανση) για να γίνουν 40% ισχυρότεροι και 30% ελαφρύτεροι.
2. Βιομηχανία ιατροτεχνολογικών προϊόντων
Η Johnson&Johnson Medical ανόπτησε τρισδιάστατες τυπωμένες αρθρώσεις ισχίου με κενό για να απαλλαγεί από την υπολειπόμενη επιφανειακή πίεση. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν χημική στίλβωση για να κάνουν την επιφάνεια πιο λεία σε Ra0,8 μm και να δώσουν στα εμφυτεύματα διάρκεια ζωής πάνω από 20 χρόνια.
Σχεδιασμός κατά της κούρασης: Η τεχνική NAMP της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (βήμα ρύθμισης ελαττώματος και ιστού-βήμα προς-βήμα) αύξησε την αντοχή κόπωσης σε εφελκυσμό του εμφυτεύματος Ti-6Al-4V από 475 MPa σε 978 MPa, το υψηλότερο επίπεδο στον κόσμο.
3. Το θέμα του ενεργειακού εξοπλισμού
Επισκευή αεριοστροβίλου: Η ομάδα του MIT διόρθωσε έναν θάλαμο καύσης 3D-εκτυπωμένου νικελίου-με βάση το κράμα, χρησιμοποιώντας κατευθυνόμενη επεξεργασία ανακρυστάλλωσης. Αυτή η επεξεργασία έκανε τον θάλαμο ικανό να χειριστεί 200 MPa καταπόνησης σε υψηλή θερμοκρασία 650 μοιρών και μείωσε τον ρυθμό ερπυσμού κατά 80%.
Εξαρτήματα πυρηνικής ενέργειας: Ο Όμιλος EDF στη Γαλλία χρησιμοποιεί επεξεργασία HIP για την τρισδιάστατη εκτύπωση αρμών σωλήνων από ανοξείδωτο χάλυβα. Αυτό απαλλαγεί από εσωτερικά ελαττώματα και κάνει τις αρθρώσεις πιο ανθεκτικές στη διάβρωση μέσω της επεξεργασίας διαλύματος για την τήρηση των κανονισμών πυρηνικής ασφάλειας.