A hőkezelés javíthatja a fém 3D nyomtatott alkatrészek kifáradási teljesítményét?

一, A fárasztó teljesítménnyel kapcsolatos fő probléma az, hogy a 3D nyomtatott alkatrészek születésüktől fogva hibásak.
A fém 3D-nyomtatás kifáradási teljesítményével kapcsolatos problémák az elkészítés módjából adódnak. A titánötvözetet (Ti-6Al-4V) példaként használva a porágyas olvasztási (PBF) módszer gyorsan megolvasztja a fémport, majd megszilárdítja. Ez a következő problémákat okozza:
Mikroszerkezeti heterogenitás: A fő szemcsék durva oszlopos szerkezetűek, a szemcsék szélei közelében több fázis található, ami megkönnyíti a kifáradási repedések kialakulását.
Lyukak és rések: Ha a por nem olvad meg teljesen, vagy a gáz feloldódik, a belső porozitás akár 0,5–2% is lehet, ami nagymértékben csökkenti a kifáradási határt.
Maradék feszültség: A gyors lehűlésből származó húzófeszültség az anyag folyáshatárának 50-70%-a lehet, ami felgyorsítja a repedések növekedését.
A Kínai Tudományos Akadémia Fémintézete megállapította, hogy a tipikus 3D nyomtatáshoz használt titánötvözet húzó-húzó-fáradási szilárdsága mindössze 475 MPa, ami jóval alacsonyabb, mint a kovácsolt 900 MPa. Ez leginkább a pórusok és a durva textúra miatt van, amely repedéseket okoz.
2, A hőkezelési technológia útja a hibáktól való megszabadulástól a szervezet jobbá tételéig tart.
A hőmérséklet, az időtartam és a hűtési sebesség szabályozásával a hőkezelés három fő célt teljesít:
1. Megszabadulni a belső hibáktól: A forró izosztatikus préselés (HIP) technológiája
A HIP eljárás inert gázt, például argont alkalmaz a nyomás mozgatására nagyon magas hőmérsékleten (900–1250 fok) és nagyon magas nyomáson (100–200 MPa). Ez megváltoztatja az anyag alakját, és bezárja a benne lévő lyukakat. Például:
A repülőgépiparban a GE Aviation SLM-et használt az Inconel 718 turbinalapátok nyomtatásához, majd a HIP-et a kezelésükhöz. Ez 0,8%-ról 0,02%-ra csökkentette a porozitást, és megháromszorozta a kifáradási időt.
A titánötvözetek javítása: Egy Chongqing-i vállalkozás HIP-kezelést alkalmazott a Ti-6Al-4V 3D nyomtatásához. Ezzel a kifáradási határt 550 MPa-ról 900 MPa-ra emelték, ami megegyezik a kovácsolt állapottal, és sokkal kevésbé anizotróp lett az anyag.
2. Irányított átkristályosítási technológiát alkalmaznak a szemcseméret egyenletesebbé tételére, a mikroszerkezet egységesebbé tételére.
Az MIT irányított átkristályosítási eljárása szabályozza a hőmérsékleti gradienst (például 2,5 mm/h-val rajzolva 1235 fokon), hogy oszlopos kristályszerkezeteket hozzon létre azáltal, hogy a szemcséket egy bizonyos irányban növeszti. Ez a technika:
A kúszás megállítása érdekében állítsa sorba az oszlopos kristályokat a legnagyobb feszültségtengellyel, állítsa le a szemcsehatár csúszását magas hőmérsékleten, és növelje meg a nikkel{0}}alapú, magas hőmérsékletű{1}}ötvözetek kúszási élettartamát.
Fáradásállóság növelése: A gázturbina lapátjainak használatakor a durva szemcsék és a diszlokációs hibák eltávolítása 60%-kal növeli a kifáradási repedésekkel szembeni ellenállást.
3. Fázisváltozások szabályozása: szilárd oldat öregedéskezeléssel
Az olyan anyagoknál, mint az alumíniumötvözetek, az oldatos kezelés (például 540 fokos tartás 2 órán keresztül) lebontja az erősítő fázist. Ezután az öregedési kezelés (például 155 fokon tartás 8 órán keresztül) nanoméretű csapadékot (például θ fázist) hoz létre.
Szilárdság és szívósság egyensúlya: A T6 hőkezelés után az F357 alumíniumötvözet folyáshatára 280 MPa-ról 380 MPa-ra nőtt, de a nyúlás változatlan maradt, 12%.
A Quintus Technologies URQ{0}}HIP-eljárása a szilárd oldatot és a nagy-nyomású kezelést egyesíti, hogy megakadályozza a pórusok újranyílását, így az F357 alumíniumötvözet kifáradási élettartama hosszabb, mint az MMPDS szabványos öntvényeié.
3, Mérnöki gyakorlat: Átmenet a laboratóriumból az iparosításba
1. A repülés területe
A Siemens SLM-et alkalmaz a nikkel{0}}alapú, magas hőmérsékletű{1}}ötvözet pengék nyomtatásához. Ezeket a lapátokat ezután HIP-pel és irányított átkristályosítással kezelik bonyolult hűtőcsatornák hozzáadására, ami 5%-kal hatékonyabbá teszi a turbinát és 3%-kal kevesebb üzemanyagot használ fel.
Könnyű szerkezeti részek: A Boeing 787 3D{2}}nyomtatott titánötvözet tartókkal rendelkezik, amelyeket kétszer melegítenek (HIP+öregedés), így 40%-kal erősebbek és 30%-kal könnyebbek.
2. Orvosi eszközipar
Johnson&Johnson Medical vákuummal lágyított 3D nyomtatott csípőízületek, hogy megszabaduljanak a felületi maradék feszültségtől. Ezután kémiai polírozást alkalmaztak, hogy a felületet Ra0,8 μm-re simábbá tegyék, és az implantátumoknak több mint 20 éves kifáradási élettartamot biztosítsanak.
Anti-kifáradás: A Kínai Tudományos Akadémia NAMP technikája (hiba és szövet lépésenkénti szabályozása) a Ti-6Al-4V implantátum szakítószilárdságát 475 MPa-ról 978 MPa-ra emelte, ami a legmagasabb szint a világon.
3. Energetikai berendezések témaköre
Gázturbina javítása: Az MIT csapata irányított átkristályosítási kezeléssel javított egy 3D-nyomtatott nikkel-alapú ötvözet égésteret. Ezzel a kezeléssel a kamra 200 MPa feszültséget képes kezelni 650 fokos magas hőmérsékleten, és 80%-kal csökkentette a kúszási sebességet.
Atomerőmű-alkatrészek: A francia EDF-csoport HIP-kezelést alkalmaz a rozsdamentes acél csőkötések 3D-nyomtatásához. Ez megszünteti a belső hibákat, és a nukleáris biztonsági előírásoknak megfelelő oldatkezelés révén ellenállóbbá teszi az illesztéseket a korrózióval szemben.