Spôsobí tepelné spracovanie kovov 3D tlačou deformáciu?

一, Technická podstata tepelného spracovania: Organizačný poriadok a optimalizácia výkonu
Ohrievanie, izolácia a chladenie kovových materiálov počas tepelného spracovania modifikuje ich mikroštruktúru, čo zlepšuje ich mechanické vlastnosti. Pri 3D tlači kovov sú hlavné ciele tepelného spracovania:
Zbavenie sa zvyškového napätia: Pri tlači materiál prechádza rýchlymi cyklami zahrievania a chladenia, čo spôsobuje ohýbanie vnútornej mriežky a vytvára zvyškové napätie. Aby sa uvoľnilo napätie, súčiastka sa zahrieva pod teplotu rekryštalizácie materiálu (napríklad udržiavanie titánovej zliatiny pri teplote 800 stupňov počas 2 hodín). Tým sa mriežka uvoľní a zníži sa nebezpečenstvo deformácie pri neskoršom spracovaní alebo použití.
Zlepšenie štruktúry zrna: Ošetrenie tuhým roztokom (ako hliníková zliatina 7075 pri 470 stupňoch) môže narušiť fázy spevňovania, zatiaľ čo ošetrenie starnutím (napr. 120 stupňov po dobu 24 hodín) môže spôsobiť tvorbu nanometrových precipitačných fáz, čo má za následok kombinované zvýšenie pevnosti a húževnatosti. Tento proces spôsobuje, že zrná sú menšie a je menej pravdepodobné, že zmenia objem pri zmene fázy, čo znižuje náchylnosť k deformácii.
Riešenie vnútorných problémov: Technológia horúceho izostatického lisovania (HIP) synergicky zvyšuje hustotu materiálov na viac ako 99,9 % kombináciou vysokého tlaku 100-150MPa a 1000-1200 stupňov vysokej teploty, uzatvára mikrotrhlinky a póry a eliminuje lokálnu koncentráciu napätia spôsobenú nerovnomerným zmršťovaním.
2, Mechanizmom deformácie spôsobenej tepelným spracovaním sú kombinované účinky tepelného namáhania a zmien mikroštruktúry.
Cieľom tepelného spracovania je zbaviť sa rizika deformácie, avšak pri nesprávnom vykonaní môže dôjsť k novým deformáciám. Hlavné spôsoby, ako sa to deje, sú:
Nárast tepelného napätia: Keď sa súčiastka zahrieva a chladí, teplotný rozdiel medzi vonkajškom a vnútrom súčiastky spôsobí, že sa súčiastka rozťahuje a zmršťuje inak, čo vytvára tepelné napätie. Napríklad, keď sa tenkostenné-časti rýchlo ochladia, vonkajšok sa zmrští rýchlejšie ako vnútorný. To môže spôsobiť zdeformovanie alebo skrútenie položky.
Zmena objemu organizačnej transformácie: Zmeny v hustote materiálu počas procesu fázového prechodu spôsobujú zmenšenie alebo nárast objemu. Napríklad, keď dôjde k martenzitickej transformácii, objem je väčší a ak uvoľnenie napätia nie je hladké, môže to spôsobiť praskliny.
Ako podporná konštrukcia ovplyvňuje: Oblasť, kde sa spája tlačová podpora a substrát, sa pravdepodobne počas tepelného spracovania stane bodom koncentrácie napätia. Ak konštrukcia podpery nie je správna, mohla by sa ohnúť, keď sa podpera po tepelnom spracovaní odoberie z dôvodu uvoľnenia napätia v jednej oblasti.
3, Stratégia kontroly deformácií: Zlepšovanie procesov a vymýšľanie nových technológií
Aby sa vyrovnali účinky tepelného spracovania a riziko deformácie, priemysel vytvoril systematický plán riadenia, ktorý sa zameriava na tri oblasti: materiály, procesy a zariadenia:
1. Výber materiálov a ich príprava
Zliatiny na báze niklu-ako Inconel 718 majú nižší koeficient tepelnej rozťažnosti (12,5 × 10 ⁻⁶/stupeň) ako zliatiny titánu (8,6 × 10 ⁻⁶/stupeň). To znamená, že môžu pomôcť zabrániť hromadeniu tepelného stresu.
Dizajn pred deformáciou: Použite simulačný softvér ako VoxelDance Engineering na predpovedanie, ako tepelné spracovanie zmení tvar materiálu. Potom použite spätnú pred{1}}deformáciu pôvodného modelu, aby mal kompenzovaný model po tepelnom spracovaní správnu veľkosť. Napríklad po predbežnej{3}}úprave skreslenia sa presnosť tlače tenkostenných{4}}dielov so špecifickým zakriveným povrchom zlepšila o 66,2 % a odstránilo sa 98,6 % plochy výraznej deformácie.
2. Zlepšenie parametrov procesu
Ohrievanie a chladenie po častiach: Použitie postupnej stratégie ohrevu (ako je udržiavanie na 50 stupňoch počas 30 minút) a oneskoreného chladenia (ako chladenie vzduchom po ochladení pece na 200 stupňov) na zníženie tepelného napätia spôsobeného zmenami teploty. Napríklad po ošetrení HIP vydržia lopatky turbín leteckých motorov GE trikrát dlhšie a nemenia tvar viac ako 0,05 % času.
Technológia pre smerovú kryštalizáciu: Proces smerovej kryštalizácie MIT upravuje rýchlosť ohrevu (napríklad 2,5 cm/h) a teplotu (1235 stupňov), aby zrná v určitom smere narástli do stĺpcových útvarov. Vďaka tomu je materiál odolnejší voči tečeniu a je menej pravdepodobné, že sa zdeformuje pri vysokých teplotách.
3. Nové nástroje a prípravky
Adaptívny systém upínania: Laboratórium Fraunhofer ILPT v Nemecku vytvorilo flexibilné zariadenie, ktoré využíva plynové dusíkové pružiny na zabezpečenie dynamickej upínacej sily, vyrovnáva rozdiely v tepelnej rozťažnosti počas tlače a chráni tenkostenné konštrukcie s rozmermi 3 m × 2 m- pred deformáciou o viac ako ± 0,3 mm.
Technológia lokálneho tepelného spracovania: Indukčný ohrev alebo laserové lokálne tepelné spracovanie sa používa na veľkých kusoch, aby sa zabránilo ich deformácii, keď sú celé zahrievané. Napríklad určitý držiak pre letectvo dosiahol pevnosť v ťahu 520 MPa a rozmerovú stabilitu väčšiu ako ± 0,1 mm vďaka lokálnej úprave roztokom.
4, Frontier Case: Nové využitie pre deformáciu tepelného spracovania
Boeing využíva v leteckom a kozmickom priemysle solídny roztok a techniku ​​spracovania starnutia, aby zosilnil 3D vytlačené držiaky lietadiel s pevnosťou v ťahu 520 MPa. Pred-deformácia zároveň udržuje deformáciu v rozmedzí ± 0,05 mm, aby boli splnené prísne aerodynamické normy.
Lekárske implantáty: Istá spoločnosť prišla s novým spôsobom výroby acetabulárnych kalichov zo zliatiny titánu kombináciou „žíhania na zmiernenie stresu“ s „leptaním kyselinou“. Tento proces odstraňuje vnútorné pnutie žíhaním a následne pomocou kyslého leptania vytvára mikroporéznu štruktúru s veľkosťou 5 až 10 μm. To pomáha kostným bunkám rásť bez zmeny veľkosti pohárov.
Energetické vybavenie: Siemens Energy vyrába lopatky plynových turbín pomocou technológie smerovej kryštalizácie HIP+. Vďaka tomu je materiál 99,95 % hustý a o 40 % odolnejší voči tečeniu. Môže bežať 100 000 hodín bez zmeny tvaru pri teplote 1200 stupňov.