Koje su uobičajene metode termičke obrade za 3D štampanje metala?

1. Tretman žarenjem: oslobodite se preostalog stresa i učinite dimenzije stabilnijim.
Proces žarenja uključuje zagrijavanje dijela na određenu temperaturu (obično ispod temperature rekristalizacije), zadržavanje tamo određeno vrijeme, a zatim lagano hlađenje. Ovo oslobađa unutrašnje naprezanje u materijalu, rafinira ili rekristalizira zrna i poboljšava performanse obrade i stabilnost dimenzija.
Gdje ga koristiti:
Oslobađanje od stresa: Metoda laserskog topljenja sloja praha (SLM) može ostaviti zaostali stres jer se tako brzo hladi. Žarenje može pomoći u smanjenju nivoa naprezanja kako bi se materijal spriječio savijanjem ili cijepanjem tokom kasnije obrade ili upotrebe. Na primjer, strukturni dijelovi aviona se često žare na 600-650 stepeni nakon štampanja, što smanjuje naprezanje za više od 80%.
Povećanje plastičnosti: Žarenje oplemenjuje veličinu zrna štampanih delova od legure titanijuma (kao što je Ti6Al4V) i povećava njihovo istezanje za 15% do 20%, što ih čini boljim za delove koji se moraju hladno formirati.
Dimenzionalna stabilizacija: Precizni kalupi ili optički dijelovi mogu zaustaviti dimenzionalni pomak koji se dešava kada se napetost otpusti kroz tretman žarenja, što zadovoljava visoke{0}}standarde preciznosti.
U slučaju izrade mlaznica za gorivo za LEAP motore, GE Aviation je koristila tehnologiju žarenja kako bi smanjila zaostalo naprezanje štampanih dijelova sa 300MPa na manje od 50MPa. Ovo je učinilo dijelove mnogo stabilnijim pri visokim-pritiscima i visokim{4}}temperaturama.
2. Tretman rastvorom i starenje: jačanje legure
Princip procesa:
Tretman čvrstim rastvorom: Zagrijavanje legure na visoko{0}}temperaturnu jednofaznu-zonu kako bi se u potpunosti rastvorili atomi otopljene tvari, stvarajući prezasićeni čvrsti rastvor, nakon čega slijedi brzo hlađenje (kao što je gašenje vodom) kako bi se očuvala visoko-struktura na visokoj temperaturi.
Vremenski tretman: Držite prezasićeni čvrsti rastvor na nižoj temperaturi (obično između 100 i 500 stepeni) da biste ga razbili i formirali faze jačanja kao što je „faza“. To će materijal učiniti mnogo jačim i tvrđim.
Primjer upotrebe:
Visokotemperaturne legure na bazi nikla- kao što je Inconel 718 treba tretirati čvrstim rastvorom (980–1010 stepeni ) i starenjem (720 stepeni × 8h+620 stepeni × 8h) nakon štampanja. Imaju vlačnu čvrstoću od preko 1500 MPa, što je dovoljno za turbinske diskove avionskih motora.
Aluminijska legura, kao što je AlSi10Mg, postaje 30% tvrđa nakon T6 termičke obrade (505 stepeni čvrstog rastvora + 170 stepen starenja). To ga čini dobrim za lagane strukturne dijelove.
Da bi se dobila najbolja kombinacija čvrstoće i žilavosti, legura titana Ti6Al4V se tretira čvrstim rastvorom (950 stepeni) i starenjem (550 stepeni). To ga čini dobrim za ortopedske implantate.
Na primjer, komora za sagorijevanje Raptor motora SpaceX-a je napravljena od Inconel 718 štampanih dijelova koji ostaju čvrsti čak i nakon što se dugo zagrijavaju na 2000 stepeni Celzijusa, što omogućava korištenje raketa iznova i iznova.
3. Vruće izostatičko presovanje (HIP): otklanjanje unutrašnjih nedostataka i gušći materijal
Princip procesa: U HIP-u, dijelovi se stavljaju u kontejner visokog-pritiska i izlažu atmosferi inertnog plina (poput argona) sa visokom temperaturom (obično 1000–1200 stepeni) i visokim pritiskom (100–200 MPa). To uzrokuje da materijal promijeni oblik, zatvori pore i mikropukotine i dosegne gotovo 100% gustinu.
Slučaj upotrebe:
Lopatice turbine i komore za sagorijevanje su dva važna dijela aviona koji moraju biti u stanju podnijeti vrlo visoke temperature i naprezanja. HIP tretman može riješiti probleme sa međuslojnim spajanjem i produžiti vijek trajanja zamora 3 do 5 puta.
HIP tretman se koristi na medicinskim implantatima uključujući acetabularne čašice i uređaje za spinalnu fuziju kako bi se osiguralo da su materijali bez pora-, smanjili opasnost od oslobađanja metalnih jona i ispunili stroge standarde FDA za biokompatibilnost.
HIP može riješiti probleme uzrokovane ostatkom unutrašnje potpore u složenim strukturnim dijelovima, uključujući mlaznice motora sa kanalima za hlađenje, kako bi se osiguralo da rade dobro.
Na primjer, Siemens Energy koristi HIP tretman za izradu lopatica gasnih turbina. Ovo smanjuje poroznost štampanih dijelova sa 0,5% na 0,01%, poboljšava performanse puzanja pri visokim temperaturama za 40% i daje oštricama vijek trajanja od više od 100.000 sati.
4. Kaljenje i kaljenje: pronalaženje prave ravnoteže između tvrdoće i žilavosti
Princip procesa:
Gašenje: Zagrijavanje komada na temperaturu na kojoj se pretvaraju u austenit, a zatim brzo hlađenje (na primjer, uljem ili vodom) kako bi se dobila martenzitna struktura koja je vrlo tvrda.
Kaljenje: Da biste razbili martenzit, oslobodili se napona gašenja i učinili materijal čvršćim, držite ga na nižoj temperaturi (150–650 stepeni).
Gdje se može koristiti:
Alatni čelik: H13 čelik za vruću obradu, na primjer, kaljen na 1050 stepeni i kaljen na 580 stepeni nakon štampanja. Ima tvrdoću od 52HRC i 50% povećanje performansi termičkog zamora, što ga čini dobrim za-lijevanje kalupa.
Kaljenje (1050 stepeni) i nisko{1}kaljenje (200 stepeni) čine nerđajući čelik, poput 316L, jačim i otpornijim na koroziju. To ga čini dobrim izborom za hemijsku opremu.
Nakon čvrstog rastvora i tretmana starenjem, martenzitni čelik za starenje poput 18Ni300 može dostići čvrstoću do 2000MPa. Koristi se za visoko{4}}precizne kalupe ili dijelove vazduhoplovnih struktura.
Boeing koristi proces kaljenja kako bi napravio 3D štampane dijelove stajnog trapa od legure titanijuma. To ih čini otpornijima na udarce (35J/cm²), a zadržavaju visoku čvrstoću, što FAA zahtijeva za sertifikaciju plovidbenosti.
5. Ciklična termička obrada: poboljšanje mikrostrukture superlegura
Princip procesa: Mikrostruktura materijala se kontroliše prolaskom kroz nekoliko ciklusa grijanja i hlađenja. Ovo uključuje pročišćavanje veličine zrna i ravnomjerniju raspodjelu sastava, što je dobro za superlegure na bazi nikla-koje je teško mašinski obrađivati.
Kada koristiti:
CMSX-4 monokristalna legura: Nakon štampanja, prolazi kroz višestepenu termičku obradu (1280 stepeni tokom 2 sata, 1120 stepeni tokom 4 sata i 870 stepeni tokom 24 sata) kako bi se oslobodila segregacije dendrita i poboljšala na visokim temperaturama.
Ciklična termička obrada može poboljšati distribuciju karbida i učiniti legure na bazi kobalta-kao što je Stellite 6 20% otpornijim na habanje, što ih čini dobrim za zaptivne površine ventila.
U tipičnom scenariju, Rolls Royce je koristio cikličku termičku obradu za izradu turbinskih diskova avionskih motora RB3025. Ovo je povećalo vek trajanja štampanih delova u niskom ciklusu sa 5000 ciklusa na 20000 ciklusa, što je pomoglo da se napravi nova generacija motora.
6. Trendovi i problemi u industriji
Inteligentna kontrola: AI algoritmi mijenjaju postavke toplinske obrade u hodu držeći na oku podatke o temperaturi i stresu u realnom vremenu. Ovo vam omogućava da tačno regulišete "jedna peć, jedna politika".
Kompozitni proces: Kombinacijom termičke obrade sa HIP-om, površinskim premazivanjem i drugim procesima, imamo integrisano rešenje pod nazivom "premaz toplotne obrade štampanja" koje radi bolje i brže.
Prilagodljivost materijala: Da bi 3D štampanje bilo korisnije, novi metalni materijali kao što su legure visoke entropije i amorfne legure moraju se termički-obraditi na inovativne načine.
Tesko
Trošak: Veliki investicijski i operativni troškovi HIP tehnologije otežavaju malim i srednjim{0}}preduzećima da priušte.
Kontrola deformacije: Tokom termičke obrade, složeni strukturni dijelovi se mogu iskriviti, stoga dizajn potpore treba poboljšati simulacijom.
Standardni nedostatak: Industrija nema jedinstven skup pravila za procese termičke obrade, i mora postojati sveobuhvatan standardni sistem lanca od materijala do dijelova.