Hogyan befolyásolják a hőkezelési paraméterek a végső alkatrész teljesítményét?

1. Hőmérséklet paraméter: fázisátalakulás által vezérelt mikrostruktúra rekonstrukció
A szilárd oldat hőmérsékletének és fázisösszetételének szabályozása
Az oldatos kezelés hőmérséklete közvetlen hatással van arra, hogy az ötvözőelemek milyen jól oldódnak a fémmátrixban. A 3D nyomtatott 17-4PH rozsdamentes acél erősítő magja a martenzites mátrixból kihulló rézrészecskék. Ha a szilárd oldat hőmérsékletét 1040 és 1080 fok között tartják, a rézelem teljesen feloldódik az ausztenit mátrixban, túltelített szilárd oldatot hozva létre. Ha a hőmérséklet 1000 fok alatt van, a visszamaradt rézrészecskék nem erősítik meg eléggé az anyagot. Ha a hőmérséklet 1100 fok fölé megy, az anyag kevésbé lesz robusztus, mert a szemcsék nagyobbak lesznek. A Kínai Tudományos Akadémia Fémintézetének kutatása szerint a 950 fokos HIP-kezelés elősegítheti, hogy a martenzit + kétfázisú szerkezetté változzon a Ti6Al4V ötvözetben. Ez 13,15%-ra növeli a nyúlást, miközben a folyáshatár 909,5 MPa marad.
Az öregedés hőmérséklet- és csapadékviselkedésének javítása
Az időkezelés megerősíti a dolgokat a második fázis részecskék méretének és terjedésének kezelésével. A Shanghai Műszaki Egyetem csapata az SLM által gyártott CuCrZr ötvözetet 500 fokon 1 órán keresztül érlelte. Ezzel a szakítószilárdsága 460 MPa-ról 585 MPa-ra, vezetőképessége pedig 31%-ról IACS-ről 64%-ra emelkedett. Az erősítő mechanizmus azon alapul, hogy az öregedési folyamat során a rézmátrixból Cr atomok kerülnek ki. Ez nanoméretű CrxZry részecskéket hoz létre, amelyek megállítják a diszlokáció migrációját az Orowan erősítő mechanizmuson keresztül. Ahogy az öregedési hőmérséklet 550 fokra emelkedik, a kicsapódó fázisok durvábbak, ami az anyagot gyengíti. Az anyag azonban rugalmasabbá válik, a képlékenység 20%-kal nő a diszlokációs csúszásállóság csökkenése miatt.
2. Időparaméter: A hibák javítása és a teljesítmény közötti egyensúly
Tartási idő és a póruszárás hatékonysága
A tartás időtartama közvetlen hatással van arra, hogy a pórusok mennyire helyreállnak a HIP kezelés után. A Ti6Al4V ötvözet HIP eljárásával kapcsolatos kutatások azt mutatják, hogy 920 fok /140 MPa hőmérsékleten 2 órás kezeléssel a porozitás 0,8%-ról 0,02%-ra csökkenthető, és 99,99%-os sűrűség érhető el; Ha a tartási időt 4 órára meghosszabbítják, a porozitás tovább csökken 0,005%-ra, de a szemcseméret 10 μm-ről 15 μm-re nő, ami 8%-os folyáshatár csökkenést eredményez. Ez azt jelenti, hogy miközben a tartási idő sűrűbbé teheti a dolgokat, furcsa szemnövekedést is előidézhet. Tehát meg kell találni az egyensúlyt a hibák kijavítása és a teljesítmény fenntartása között.
A fázisváltozás és a szigetelési idő kinetikája
A szilárd oldatos kezelés szigetelési ideje biztosítja, hogy az összes ötvözetelem teljesen feloldódjon. A 3D-nyomtatott IN718 magas-hőmérsékletű ötvözet esetén 1 órán át 1080 fokon tartása teljesen feloldhatja az Nb elemet a mátrixban. Ha a szigetelési időszakot 30 percre csökkentjük, a '' erősítő fázisa nem tud teljesen kicsapódni, ami a magas hőmérsékletű kúszási teljesítmény-40%-os csökkenését eredményezi. Az öregedési kezelés során az anyag szigetelésének időtartama befolyásolja a kialakuló fázisok méretét. Például 8 órás 720 fokos öregítés után a 718-as ötvözet '' fázisa 50 nm méretű, ami a legjobb az erősítéshez. 16 órás öregítés után a kicsapódott fázis 100 nm-re nőtt, ami 15%-kal csökkentette a szilárdságot.
3. Hűtési sebesség: a szervezet finomítása és a maradék feszültség szabályozása
Az oltás sebessége és a martenzit termelése
Az a sebesség, amellyel a fém lehűl az oltás során, befolyásolja, hogy milyen fázisátalakulási termékei lesznek. A 3D nyomtatott H13 szerszámacél esetében az 50 fok/s olajhűtési sebesség 52 HRC keménységű lapos tésztájú martenzit készíthet. Levegővel lehűtve (5 fok/s) bainit szerkezet alakul ki és a keménység 40HRC-re csökken. Annak ellenére, hogy a gyors kioltás megnehezítheti a dolgokat, megrepedhet. A keménység és a maradék feszültség közötti megfelelő egyensúly megtalálásához fokozatos oltásra van szükség (például először 600 fokos hűtés, majd olajhűtés).
Lassú hűtési sebesség és stresszoldás
A lágyító kezelés alatti lassú hűtési sebesség hatással van a maradék feszültség feloldására. A 3D nyomtatáshoz használt AlSi10Mg alumíniumötvözet 300 fokos hőmérsékletről szobahőmérsékletre hűtése 2 órába telt 5 fok/perc sebességgel. Ez 70%-kal csökkentette a maradék feszültséget. Ha a hűtési sebességet 20 fok/perc értékre emeljük, a maradékfeszültség csak 30%-kal csökken. A lassú lehűlés elősegíti a diszlokáció átrendeződését és a szemcsehatár vándorlását, ami enyhíti a stresszt. A túl lassú hűtési sebesség azonban a szemcsék durvábbá válását okozhatja, ezért megfelelő anyagoptimalizálási beállításokra van szükség.
4. Több-paraméteres együttműködési optimalizálás: a „próbából és tévedésből” a „pontos vezérlésig”
A digitális iker technológia a paraméterek előrejelzését hajtja végre
A Siemens és a Boeing közösen létrehoztak egy digitális ikerplatformot, amely megmutatja, hogyan változik a 3D nyomtatott Ti6Al4V ötvözet hőmérsékleti tere, feszültségmezeje és mikrostruktúrája a HIP kezelés során. A rendszer ki tudja találni a legjobb HIP-módszert (például 920 fok /140MPa/2h), figyelembe véve például a kiindulási porozitást és a szemcseméretet. Ez háromszor hosszabb ideig tarthatja az alkatrészeket, és felére csökkentheti a tesztelések számát.
Paraméterek inverziója gépi tanulás segítségével
A GE Aviation gépi tanulási technikákat alkalmaz, hogy 100 000 hőkezelési adatkészletet vizsgáljon meg, és egy "hőmérséklet-idő hűtési sebesség teljesítmény" leképezési modellt hozzon létre. Ez a modell képes kitalálni a folyamatbeállításokat, amelyek megfelelnek bizonyos teljesítményigényeknek. Amikor például az IN718 ötvözetnek 1000 órás kúszási élettartamot kell tartania 650 fokos hőmérsékleten, a rendszer 1080 fokos /1h szilárd oldat+720 fok /8h öregítési eljárást javasol. A mért kúszási élettartam 1200 óra.
5. Esettanulmány egy iparágról: a laborból a gyárba
A repülés területe
A nikkel-alapú, magas-hőmérsékletű ötvözött turbinatárcsák 3D-nyomtatásának javítása érdekében a Rolls Royce HIP-kezelést alkalmaz. A HIP-pel kezelt alkatrészek kúszási élettartama 173 óra magas, 1400 fokos hőmérsékleten, ami több, mint a GE9X motorok alapvető alkatrészeihez szükséges 50 óra.
Az orvosi implantátumok területe
A Johnson&Johnson 3D nyomtatott Ti6Al4V csípőízületi implantátumon végzett 950 fokos 4 órás HIP kezelés után a maximális kifáradási szilárdsága elérte az 550 MPa-t (107 ciklus), ami megegyezik a kovácsolt lágyított állapottal. Ezzel egyidejűleg a felületi érdesség Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.