Može li termička obrada poboljšati performanse zamora metalnih 3D štampanih dijelova?

一, Glavni problem sa performansama zamora je taj što 3D štampani dijelovi imaju greške od rođenja.
Problemi sa zamornim performansama metalnog 3D štampe dolaze od načina na koji je napravljen. Koristeći titanijumsku leguru (Ti-6Al-4V) kao primjer, metoda topljenja u sloju praha (PBF) brzo topi metalni prah, a zatim ga učvršćuje. To uzrokuje sljedeće probleme:
Heterogenost mikrostrukture: Glavna zrna imaju grubu stubastu strukturu, sa više faze blizu ivica zrna, što olakšava nastanak zamornih pukotina.
Rupe i praznine: Ako se prah ne stopi u potpunosti ili se gas otopi, unutrašnja poroznost može biti čak 0,5% do 2%, što uvelike smanjuje granicu zamora.
Preostalo naprezanje: Vlačno naprezanje koje dolazi od brzog hlađenja može biti 50% do 70% granice popuštanja materijala, što ubrzava rast pukotina.
Institut za metale Kineske akademije nauka otkrio je da je čvrstoća zatezanja i zamora tipične legure titanijuma za 3D štampanje samo 475 MPa, što je daleko niže od 900 MPa koliko bi trebalo da bude kada je kovano. To je uglavnom zbog pora i grube teksture koje uzrokuju pukotine.
2, Put tehnologije termičke obrade ide od otklanjanja nedostataka do poboljšanja organizacije.
Upravljajući temperaturom, trajanjem i brzinom hlađenja, termička obrada ispunjava tri glavna cilja:
1. Otklanjanje nedostataka iznutra: Tehnologija vrućeg izostatskog presovanja (HIP)
HIP proces koristi inertni gas, poput argona, za pomeranje pritiska na veoma visokim temperaturama (900-1250 stepeni) i veoma visokim pritiscima (100-200 MPa). Time materijal mijenja oblik i zatvara sve rupe unutar njega. na primjer:
U vazduhoplovstvu, GE Aviation je koristio SLM za štampanje Inconel 718 lopatica turbine, a zatim HIP za njihovu obradu. Ovo je smanjilo poroznost sa 0,8% na 0,02% i utrostručilo vijek trajanja.
Poboljšanje legura titanijuma: preduzeće u Chongqingu koristilo je HIP tretman za 3D štampanje Ti-6Al-4V. Ovo je podiglo granicu zamora sa 550 MPa na 900 MPa, što je isto kao i kovano stanje, i učinilo materijal mnogo manje anizotropnim.
2. Tehnologija usmjerene rekristalizacije koristi se kako bi veličina zrna bila ujednačenija, a mikrostruktura ujednačenija.
MIT-ova procedura usmerene rekristalizacije kontroliše temperaturni gradijent (na primer, crtanje pri 2,5 mm/h na 1235 stepeni) da bi se napravile stubaste kristalne strukture tako što zrna rastu u određenom pravcu. Ova tehnologija:
Da zaustavite puzanje, poravnajte stupaste kristale s najvećom osom naprezanja, zaustavite klizanje granica zrna na visokim temperaturama i udvostručite vijek puzanja u odnosu na visokotemperaturne legure na bazi nikla-bazirane-.
Povećanje otpornosti na zamor: Kod upotrebe lopatica gasne turbine, uklanjanje grubih zrnastih i dislokacijskih nedostataka povećava otpornost na početak zamornih pukotina za 60%.
3. Kontrola faznih promjena: čvrsti rastvor sa tretmanom starenjem
Za materijale kao što su legure aluminijuma, tretman rastvorom (kao što je držanje na 540 stepeni tokom 2 sata) razbija fazu ojačanja. Zatim, tretman starenjem (kao što je držanje na 155 stepeni tokom 8 sati) stvara precipitate na nanosmeru (poput θ 'faze).
Ravnoteža čvrstoće i žilavosti: Nakon termičke obrade T6, granica tečenja legure aluminija F357 porasla je sa 280 MPa na 380 MPa, ali je istezanje ostalo isto na 12%.
URQ{{0}HIP proces kompanije Quintus Technologies kombinuje čvrstu otopinu i tretman visokim-pritiskom kako bi se spriječilo ponovno otvaranje pora, što daje F357 aluminijumskoj leguri duži vijek trajanja od zamora od MMPDS standardnih odljevaka.
3, Inženjerska praksa: tranzicija od laboratorije do industrijalizacije
1. Oblast vazduhoplovstva
Siemens koristi SLM za štampanje oštrica od visokotemperaturne legure-na bazi nikla. Ove lopatice se zatim tretiraju HIP-om i usmjerenom rekristalizacijom kako bi se dodali komplikovani kanali za hlađenje, što turbinu čini 5% efikasnijom i koristi 3% manje goriva.
Lagani strukturni dijelovi: Boeing 787 ima 3D-štampane nosače od legure titanijuma koji su dva puta grijani (HIP+starenje) kako bi bili 40% jači i 30% lakši.
2. Industrija medicinskih uređaja
Johnson&Johnson Medical vakuumom žareni 3D štampani zglobovi kuka kako bi se riješili površinskog preostalog naprezanja. Zatim su koristili hemijsko poliranje kako bi površinu učinili glatkijom do Ra0,8 μm i dali implantatima vijek trajanja od više od 20 godina.
Dizajn protiv zamora: NAMP tehnika Kineske akademije nauka (regulacija defekta i tkiva korak po-po{2}}korak) podigla je čvrstoću na zamor Ti-6Al-4V implantata sa 475 MPa na 978 MPa, što je najviši nivo na svijetu.
3. Tema energetske opreme
Popravka gasne turbine: Tim MIT-a je popravio 3D-štampanu komoru za sagorijevanje od legure nikla- koristeći tretman usmjerene rekristalizacije. Ovaj tretman je omogućio komoru da izdrži naprezanje od 200 MPa na visokoj temperaturi od 650 stepeni i smanji brzinu puzanja za 80%.
Dijelovi za nuklearnu energiju: EDF grupa u Francuskoj koristi HIP tretman za 3D print spojeve cijevi od nehrđajućeg čelika. Ovo uklanja unutrašnje nedostatke i čini spojeve otpornijim na koroziju kroz tretman rastvorom kako bi se ispunili propisi o nuklearnoj sigurnosti.