Môže tepelné spracovanie zlepšiť únavový výkon kovových 3D tlačených dielov?

一, Hlavným problémom s únavou je to, že 3D tlačené diely majú chyby už od narodenia.
Problémy s únavou kovovej 3D tlače pochádzajú z toho, ako sa vyrába. Pri použití zliatiny titánu (Ti-6Al-4V) ako príkladu metóda tavenia práškového lôžka (PBF) rýchlo roztaví kovový prášok a potom ho stuhne. Spôsobuje to nasledujúce problémy:
Heterogenita mikroštruktúry: Hlavné zrná majú hrubú stĺpcovú štruktúru s viacerými fázami v blízkosti okrajov zŕn, čo uľahčuje vznik únavových trhlín.
Diery a medzery: Ak sa prášok úplne neroztopí alebo sa plyn nerozpustí, vnútorná pórovitosť môže byť až 0,5 % až 2 %, čo výrazne znižuje medzu únavy.
Zvyškové napätie: Ťahové napätie, ktoré pochádza z rýchleho ochladzovania, môže predstavovať 50 % až 70 % medze klzu materiálu, čo urýchľuje rast trhlín.
Inštitút kovov Čínskej akadémie vied zistil, že únavová pevnosť v napätí typickej titánovej zliatiny pre 3D tlač je iba 475 MPa, čo je oveľa menej ako 900 MPa, ktorá by mala byť pri kovaní. Je to väčšinou kvôli pórom a drsnej štruktúre, ktoré spôsobujú praskliny.
2, Cesta technológie tepelného spracovania ide od zbavenia sa defektov k zlepšeniu organizácie.
Riadením teploty, trvania a rýchlosti chladenia spĺňa tepelné spracovanie tri hlavné ciele:
1. Zbavenie sa nedostatkov vo vnútri: Technológia izostatického lisovania za tepla (HIP)
Proces HIP využíva inertný plyn, ako je argón, na pohyb tlaku pri veľmi vysokých teplotách (900 – 1250 stupňov) a veľmi vysokých tlakoch (100 – 200 MPa). To spôsobí, že materiál zmení tvar a uzavrie všetky otvory vo vnútri. Napríklad:
V letectve použila GE Aviation SLM na tlač lopatiek turbín Inconel 718 a potom HIP na ich ošetrenie. Tým sa znížila pórovitosť z 0,8 % na 0,02 % a strojnásobila sa únavová životnosť.
Zdokonaľovanie zliatin titánu: Podnik v Chongqing využíval spracovanie HIP na 3D tlač Ti-6Al-4V. To zvýšilo medzu únavy z 550 MPa na 900 MPa, čo je rovnaké ako pri kovaní, a materiál bol oveľa menej anizotropný.
2. Technológia smerovej rekryštalizácie sa používa na dosiahnutie rovnomernejšej veľkosti zrna a rovnomernejšej mikroštruktúry.
Postup smerovej rekryštalizácie MIT riadi teplotný gradient (napríklad kreslenie rýchlosťou 2,5 mm/h pri 1235 stupňoch), aby sa vytvorili stĺpcové kryštálové štruktúry tým, že zrná rastú v určitom smere. Táto technika:
Ak chcete zastaviť tečenie, zoraďte stĺpcové kryštály s osou najvyššieho napätia, zastavte posúvanie hraníc zŕn pri vysokých teplotách a zdvojnásobte životnosť zliatin na báze niklu-za vysokých teplôt{1}} pri tečení.
Zvýšenie odolnosti proti únave: Pri použití lopatiek plynových turbín, zbavenie sa hrubozrnných a dislokačných chýb zvyšuje odolnosť proti vzniku únavových trhlín o 60 %.
3. Kontrola fázových zmien: tuhý roztok s úpravou starnutím
V prípade materiálov, ako sú hliníkové zliatiny, ošetrenie roztokom (ako je udržiavanie pri 540 stupňoch počas 2 hodín) preruší fázu spevňovania. Potom sa starnutím (ako je udržiavanie pri 155 stupňoch počas 8 hodín) vytvoria precipitáty nanometrov (ako θ 'fáza).
Rovnováha pevnosti a húževnatosti: Po tepelnom spracovaní T6 sa medza klzu hliníkovej zliatiny F357 zvýšila z 280 MPa na 380 MPa, ale predĺženie zostalo rovnaké na 12 %.
Proces URQ-HIP od spoločnosti Quintus Technologies kombinuje tuhý roztok a vysokotlakové{1}}opracovanie, aby sa póry opäť neotvorili, čo dáva hliníkovej zliatine F357 únavovú životnosť, ktorá je dlhšia ako pri štandardných odliatkoch MMPDS.
3, Inžinierska prax: Prechod od laboratória k industrializácii
1. Oblasť letectva
Siemens používa SLM na tlač čepelí z niklovej-vysokoteplotnej{1}}zliatiny. Tieto lopatky sú potom ošetrené HIP a riadenou rekryštalizáciou, aby sa pridali komplikované chladiace kanály, vďaka čomu je turbína o 5 % efektívnejšia a spotrebuje o 3 % menej paliva.
Ľahké konštrukčné diely: Boeing 787 je vybavený 3D-tlačenými držiakmi z titánovej zliatiny, ktoré sa dvakrát zahrievajú (HIP+starnutie), aby boli o 40 % pevnejšie a o 30 % ľahšie.
2. Priemysel zdravotníckych pomôcok
Johnson&Johnson Medical vákuovo žíhané 3D vytlačené bedrové kĺby, aby sa zbavili povrchového zvyškového napätia. Potom použili chemické leštenie, aby bol povrch hladší na Ra0,8 μm a implantáty mali únavovú životnosť viac ako 20 rokov.
Konštrukcia proti{0}}únave: Technika NAMP Čínskej akadémie vied (kroková regulácia defektov a tkanív-za{2}}krokom) zvýšila pevnosť v ťahu implantátu Ti-6Al-4V zo 475 MPa na 978 MPa, čo je najvyššia úroveň na svete.
3. Téma energetických zariadení
Oprava plynovej turbíny: Tím MIT opravil spaľovaciu komoru zo zliatiny na báze niklu-vytlačenej 3D- pomocou priamej rekryštalizácie. Toto spracovanie umožnilo komore zvládnuť napätie 200 MPa pri vysokej teplote 650 stupňov a znížiť rýchlosť tečenia o 80 %.
Časti pre jadrovú energiu: Skupina EDF vo Francúzsku využíva úpravu HIP na 3D tlač spojov rúr z nehrdzavejúcej ocele. Tým sa zbavia vnútorných nedostatkov a spoje sa stanú odolnejšími voči korózii pomocou úpravy roztokom, aby sa splnili predpisy o jadrovej bezpečnosti.