Katere so običajne metode toplotne obdelave za 3D-tiskanje kovin?

1. Žarjenje: znebite se preostalega stresa in naredite dimenzije bolj stabilne.
Postopek žarjenja vključuje segrevanje dela na določeno temperaturo (običajno pod temperaturo rekristalizacije), držanje na tej temperaturi določen čas in nato počasno ohlajanje. To sprosti notranjo napetost v materialu, prečisti ali rekristalizira zrna ter izboljša zmogljivost obdelave in dimenzijsko stabilnost.
Kje ga uporabiti:
Lajšanje stresa: Metoda laserskega taljenja prahu (SLM) lahko pusti preostalo napetost, saj se tako hitro ohladi. Žarjenje lahko pomaga znižati ravni napetosti, da se material ne upogne ali razcepi med poznejšo obdelavo ali uporabo. Na primer, konstrukcijski deli letal so po tiskanju pogosto žarjeni pri 600–650 stopinjah, kar zmanjša napetost za več kot 80 %.
Izboljšanje plastičnosti: žarjenje izboljša velikost zrn tiskanih delov iz titanove zlitine (kot je Ti6Al4V) in poveča njihov raztezek za 15 % do 20 %, zaradi česar so boljši za dele, ki jih je treba hladno oblikovati.
Dimenzijska stabilizacija: natančni kalupi ali optični deli lahko ustavijo dimenzijski zamik, do katerega pride, ko se napetost sprosti z žarjenjem, ki izpolnjuje visoke-standarde natančnosti.
V primeru izdelave šob za gorivo za motorje LEAP je GE Aviation uporabil tehnologijo žarjenja za znižanje preostale napetosti tiskanih delov s 300MPa na manj kot 50MPa. Zaradi tega so deli veliko bolj stabilni pri nastavitvah visokega-tlaka in visoke{4}}temperature.
2. Obdelava z raztopino in staranje: krepitev zlitine
Načelo postopka:
Obdelava s trdno raztopino: segrevanje zlitine na visoko-temperaturno eno-fazno območje, da se popolnoma raztopijo atomi topljenca, pri čemer nastane prenasičena trdna raztopina, čemur sledi hitro ohlajanje (kot je kaljenje z vodo), da se ohrani visoko-temperaturna struktura.
Časovna obdelava: Prenasičeno trdno raztopino hranite pri nižji temperaturi (običajno med 100 in 500 stopinjami), da se razgradi in tvori ojačitvene faze, kot je 'faza'. Tako bo material veliko močnejši in trši.
Primer uporabe:
Visokotemperaturne-zlitine na osnovi niklja, kot je Inconel 718, potrebujejo obdelavo s trdno raztopino (980–1010 stopinj) in obdelavo s staranjem (720 stopinj × 8h+620 stopinj × 8h) po tiskanju. Imajo natezno trdnost nad 1500 MPa, kar je dovolj močno za kolute turbin letalskih motorjev.
Aluminijeva zlitina, kot je AlSi10Mg, postane 30 % trša po toplotni obdelavi T6 (505 stopinj v trdni raztopini + 170 stopinj staranja). Zaradi tega je primeren za lahke konstrukcijske dele.
Da bi dosegli najboljšo kombinacijo trdnosti in žilavosti, je titanova zlitina Ti6Al4V obdelana s trdno raztopino (950 stopinj) in starana (550 stopinj). Zaradi tega je primeren za ortopedske vsadke.
Zgorevalna komora motorja Raptor podjetja SpaceX je na primer zgrajena iz natisnjenih delov Inconel 718, ki ostanejo močni tudi po daljšem segrevanju na 2000 stopinj Celzija, kar omogoča vedno znova uporabo raket.
3. Vroče izostatično stiskanje (HIP): znebite se notranjih napak in naredite material gostejši
Načelo postopka: pri HIP se deli postavijo v visoko{0}}tlačno posodo in izpostavijo atmosferi inertnega plina (kot je argon) z visoko temperaturo (običajno 1000–1200 stopinj) in visokim tlakom (100–200 MPa). Zaradi tega material spremeni obliko, zapre pore in mikrorazpoke ter doseže skoraj 100% gostoto.
Primer uporabe:
Turbinske lopatice in zgorevalne komore sta dva pomembna dela letala, ki morata biti sposobna prenašati zelo visoke temperature in obremenitve. Obdelava HIP lahko odpravi težave z medslojnim lepljenjem in 3- do 5-krat podaljša življenjsko dobo.
Obdelava HIP se uporablja na medicinskih vsadkih, vključno z acetabularnimi čašicami in napravami za spinalno fuzijo, da se zagotovi, da so materiali -brez por, zmanjšajo nevarnost sproščanja kovinskih ionov in izpolnjujejo stroge standarde FDA za biokompatibilnost.
HIP lahko odpravi težave, ki jih povzročajo ostanki notranje podpore v zapletenih strukturnih delih, vključno s šobami motorja s hladilnimi kanali, da zagotovi njihovo dobro delovanje.
Siemens Energy na primer uporablja obdelavo HIP za izdelavo lopatic plinske turbine. To zmanjša poroznost natisnjenih delov z 0,5 % na 0,01 %, izboljša-zmogljivost lezenja pri visokih temperaturah za 40 %, rezilom pa zagotovi življenjsko dobo več kot 100.000 ur.
4. Kaljenje in popuščanje: iskanje pravega ravnovesja med trdoto in žilavostjo
Načelo postopka:
Kaljenje: segrevanje kosov na temperaturo, pri kateri se spremenijo v avstenit, in nato hitro ohlajanje (na primer z oljem ali vodo), da nastane martenzitna struktura, ki je zelo trda.
Kaljenje: Če želite razgraditi martenzit, se znebiti kalilne napetosti in narediti material trši, ga hranite pri nižji temperaturi (150–650 stopinj).
Kje se lahko uporablja:
Orodno jeklo: H13 jeklo za vroče delo, na primer, je po tiskanju kaljeno pri 1050 stopinjah in temperirano pri 580 stopinjah. Ima trdoto 52HRC in 50-odstotno povečanje učinkovitosti toplotne utrujenosti, zaradi česar je primeren za-kalupe za tlačno litje.
Kaljenje (1050 stopinj) in popuščanje pri nizki-temperaturi (200 stopinj) naredita nerjavno jeklo, kot je 316L, močnejše in bolj odporno proti koroziji. Zaradi tega je dobra izbira za kemično opremo.
Po obdelavi s trdno raztopino in staranjem lahko martenzitno starano jeklo, kot je 18Ni300, doseže trdnost do 2000 MPa. Uporablja se za visoko{4}}natančne kalupe ali dele letalskih in vesoljskih struktur.
Boeing uporablja postopek kaljenja za izdelavo 3D-natisnjenih delov podvozja iz titanove zlitine. Zaradi tega so odpornejši na udarce (35 J/cm²), hkrati pa ohranjajo visoko trdnost, kar FAA zahteva za certificiranje plovnosti.
5. Ciklična toplotna obdelava: izboljšanje mikrostrukture superzlitin
Princip postopka: Mikrostrukturo materiala kontroliramo z več cikli segrevanja in hlajenja. To vključuje izboljšanje velikosti zrn in enakomernejšo porazdelitev sestave, kar je dobro za superzlitine na osnovi niklja, ki jih je težko obdelati.
Kdaj uporabiti:
CMSX-4 monokristalna zlitina: po tiskanju gre skozi večstopenjsko toplotno obdelavo (1280 stopinj za 2 uri, 1120 stopinj za 4 ure in 870 stopinj za 24 ur), da se znebite ločevanja dendritov in izboljšate pri visokih temperaturah.
Ciklična toplotna obdelava lahko izboljša porazdelitev karbidov in zlitine na osnovi kobalta, kot je 6 20% stelit, postanejo bolj odporne proti obrabi, zaradi česar so dobre za tesnilne površine ventilov.
V tipičnem scenariju je Rolls Royce uporabil ciklično toplotno obdelavo za izdelavo turbinskih diskov letalskih motorjev RB3025. To je podaljšalo življenjsko dobo tiskanih delov ob nizki ciklični utrujenosti s 5000 ciklov na 20000 ciklov, kar je pomagalo pri izdelavi nove generacije motorjev.
6. Trendi in problemi v panogi
Inteligentni nadzor: Algoritmi umetne inteligence sproti spreminjajo nastavitve toplotne obdelave, tako da v realnem času spremljajo podatke o temperaturi in napetosti. To vam omogoča, da natančno regulirate "eno peč, eno politiko".
Kompozitni postopek: S kombiniranjem toplotne obdelave s HIP, površinskim premazom in drugimi postopki imamo integrirano rešitev, imenovano "prevleka s toplotno obdelavo tiskanja", ki deluje bolje in hitreje.
Prilagodljivost materiala: da bi bilo 3D-tiskanje uporabnejše, je treba nove kovinske materiale, kot so zlitine z visoko entropijo in amorfne zlitine, toplotno -obdelati na inovativne načine.
Težko
Stroški: velika naložba in operativni stroški tehnologije HIP si težko privoščijo mala in srednje{0}}podjetja.
Nadzor deformacije: Med toplotno obdelavo se lahko zapleteni konstrukcijski deli zvijejo, zato je treba s simulacijo izboljšati konstrukcijo podpore.
Standardna pomanjkljivost: Industrija nima enotnega niza pravil za postopke toplotne obdelave in obstajati mora celovit verižni standardni sistem od materialov do delov.