Melyek a fém 3D nyomtatás általános hőkezelési módszerei?

1. Lágyító kezelés: megszabadulni a maradék feszültségtől és stabilabbá tenni a méreteket.
Az izzítás folyamata abból áll, hogy az alkatrészt egy bizonyos hőmérsékletre (általában az átkristályosítási hőmérséklet alá) melegítjük, meghatározott ideig ott tartjuk, majd lassan lehűtjük. Ez felszabadítja az anyag belső feszültségét, finomítja vagy átkristályosítja a szemcséket, és javítja a feldolgozási teljesítményt és a méretstabilitást.
Hol érdemes használni:
Stresszcsökkentés: A lézeres porágy olvasztási (SLM) módszere maradék feszültséget hagyhat maga után, mivel olyan gyorsan lehűl. Az izzítás segíthet csökkenteni a feszültségszintet, hogy megakadályozza az anyag meghajlását vagy felhasadását a későbbi feldolgozás vagy használat során. Például a repülőgép szerkezeti részeit a nyomtatás után gyakran 600-650 fokban izzítják, ami több mint 80%-kal csökkenti a feszültséget.
Növeli a plaszticitást: A lágyítás finomítja a nyomtatott titánötvözet alkatrészek (például Ti6Al4V) szemcseméretét, és 15-20%-kal növeli a nyúlásukat, így jobban használhatók a hidegen alakítandó alkatrészekhez.
Méretstabilizálás: A precíziós formák vagy optikai alkatrészek megállíthatják a méretbeli eltolódást, amely akkor következik be, amikor a feszültséget a hőkezeléssel feloldják, ami megfelel a magas -precíziós szabványoknak.
A LEAP motorokhoz való üzemanyagfúvókák gyártása esetén a GE Aviation lágyítási technológiát alkalmazott, hogy a nyomtatott alkatrészek maradékfeszültségét 300 MPa-ról 50 MPa alá csökkentse. Ez sokkal stabilabbá tette az alkatrészeket a magas-nyomás és a magas-hőmérséklet beállításainál.
2. Kezelés oldattal és öregítés: az ötvözet erősebbé tétele
Az eljárás elve:
Szilárd oldatos kezelés: Az ötvözet felmelegítése egy magas-hőmérsékletű egyfázisú-zónára az oldott atomok teljes feloldása érdekében, túltelített szilárd oldat létrehozása, majd gyors hűtés (például vízhűtés) a magas-hőmérsékletű szerkezet megőrzése érdekében.
Időkezelés: Tartsa a túltelített szilárd oldatot alacsonyabb hőmérsékleten (általában 100 és 500 fok között), hogy lebontsa, és erősítő fázisokat képezzen, mint a "fázis". Ezáltal az anyag sokkal erősebb és keményebb lesz.
Használati példa:
A nikkel-alapú, magas hőmérsékletű-ötvözetek, mint az Inconel 718, szilárd oldatos kezelést (980–1010 fok) és öregítést (720 fok × 8 óra+620 fok × 8 óra) igényelnek a nyomtatás után. Szakítószilárdságuk meghaladja az 1500 MPa-t, ami elég erős a repülőgépmotorok turbinatárcsáihoz.
Az alumíniumötvözet, mint például az AlSi10Mg, 30%-kal keményebbé válik a T6 hőkezelést követően (505 fokos szilárd oldat + 170 fokos öregedés). Ez alkalmassá teszi könnyű szerkezeti alkatrészekhez.
A szilárdság és a szívósság legjobb keverékének elérése érdekében a Ti6Al4V titánötvözetet szilárd oldattal (950 fok) és öregítéssel (550 fok) kezelik. Ez alkalmassá teszi ortopéd implantátumokhoz.
Például a SpaceX Raptor motorjának égésterét Inconel 718 nyomtatott alkatrészekből építik fel, amelyek tartósak maradnak még hosszú 2000 Celsius fokos melegítés után is, ami lehetővé teszi a rakéták újra és újra használatát.
3. Melegizosztatikus préselés (HIP): a belső hibák eltávolítása és az anyag sűrűbbé tétele
A folyamat elve: A HIP-ben az alkatrészeket nagynyomású{0}}tartályba helyezik, és magas hőmérsékletű (általában 1000–1200 fokos) és nagy nyomású (100–200 MPa) inert gáz (például argon) atmoszférának teszik ki. Emiatt az anyag alakja megváltozik, a pórusok és a mikrorepedések bezáródnak, és eléri a majdnem 100%-os sűrűséget.
Használati eset:
A turbinalapátok és az égésterek a repülőgép két fontos része, amelyeknek képesnek kell lenniük nagyon magas hőmérsékletek és igénybevételek kezelésére. A HIP-kezelés megoldja a rétegek közötti ragasztással kapcsolatos problémákat, és 3-5-ször meghosszabbítja a kifáradási élettartamot.
A HIP kezelést orvosi implantátumokon alkalmazzák, beleértve az acetabuláris csészéket és a gerincfúziós eszközöket, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy az anyagok pórusmentesek-, csökkentik a fémionok felszabadulásának veszélyét, és megfelelnek az FDA szigorú biokompatibilitási előírásainak.
A HIP képes kijavítani a megmaradt belső támaszok által okozott problémákat az összetett szerkezeti részekben, beleértve a hűtőcsatornás motorfúvókákat is, így biztosítva a megfelelő működést.
Például a Siemens Energy HIP-kezelést alkalmaz a gázturbina lapátjainak gyártásához. Ez 0,5%-ról 0,01%-ra csökkenti a nyomtatott részek porozitását, 40%-kal javítja a magas-hőmérsékletű kúszási teljesítményt, és több mint 100 000 órás élettartamot biztosít a pengéknek.
4. Edzés és temperálás: a megfelelő egyensúly megtalálása a keménység és a szívósság között
Az eljárás elve:
Kioltás: A darabokat olyan hőmérsékletre melegítjük, ahol ausztenitté alakulnak, majd gyorsan lehűtjük (például olajjal vagy vízzel), hogy nagyon kemény martenzites szerkezetet kapjunk.
Edzés: A martenzit lebontásához, az oltási feszültségtől való megszabaduláshoz és az anyag szívósabbá tételéhez tartsa alacsonyabb hőmérsékleten (150-650 fok).
Hol használható:
Szerszámacél: például a H13 melegen megmunkált szerszámacélt 1050 fokon hűtik ki és 580 fokon edzik a nyomtatás után. Keménysége 52 HRC, és 50%-kal növeli a hőfáradási teljesítményt, így alkalmas présöntési-formákhoz.
Az oltás (1050 fok) és az alacsony hőmérsékletű temperálás (200 fok) a rozsdamentes acélt, például a 316 literes acélt erősebbé és korrózióval szemben ellenállóbbá teszi. Ez jó választássá teszi vegyi berendezésekhez.
Szilárd oldat és öregedési kezelés után a martenzites öregítő acél, például a 18Ni300, akár 2000 MPa szilárdságot is elérhet. Nagy pontosságú-öntőformákhoz vagy űrrepülőgép-szerkezetek részeihez használják.
A Boeing kioltó temperálási eljárást alkalmaz a 3D nyomtatott titánötvözet futómű-alkatrészek előállításához. Ez ellenállóbbá teszi őket az ütésekkel szemben (35 J/cm²), miközben szilárdságukat magasan tartják, amit az FAA megkövetel a légialkalmassági tanúsításhoz.
5. Ciklikus hőkezelés: szuperötvözetek mikroszerkezetének javítása
Az eljárás elve: Az anyag mikroszerkezetét több fűtési és hűtési cikluson keresztül szabályozzuk. Ez magában foglalja a szemcseméret finomítását és az összetétel egyenletesebb eloszlását, ami jó a nehezen megmunkálható nikkel{1}}alapú szuperötvözetek esetében.
Mikor kell használni:
CMSX-4 egykristály ötvözet: Nyomtatás után többlépcsős hőkezelésen esik át (1280 fokos 2 órán át, 1120 fokon 4 órán keresztül és 870 fokon 24 órán át), hogy megszabaduljon a dendrit szegregációtól és jobb legyen magas hőmérsékleten.
A ciklikus hőkezelés javíthatja a karbidok eloszlását, és a kobalt{0}}alapú ötvözetek, mint például a Stellite, 6 20%-kal ellenállóbbá teheti a kopást, így alkalmasak szeleptömítő felületekre.
Egy tipikus forgatókönyv szerint a Rolls Royce ciklikus hőkezelést alkalmazott az RB3025 repülőgépmotor-turbina tárcsák gyártásához. Ez a nyomtatott alkatrészek alacsony ciklusú kifáradási élettartamát 5000 ciklusról 20 000 ciklusra növelte, ami elősegítette a motorok új generációjának létrehozását.
6. Trendek és problémák az iparban
Intelligens vezérlés: A mesterséges intelligencia algoritmusai menet közben változtatják a hőkezelés beállításait, valós időben figyelve a hőmérsékleti és stresszadatokat. Ez lehetővé teszi az „egy kemence, egy politika” pontos szabályozását.
Kompozit eljárás: A hőkezelést a HIP-pel, a felületbevonattal és más folyamatokkal kombinálva integrált megoldásunk van, az úgynevezett "nyomtatási hőkezelési bevonat", amely jobban és gyorsabban működik.
Anyagok alkalmazkodóképessége: A 3D nyomtatás hasznosabbá tétele érdekében az új fémanyagokat, például a nagy entrópiájú ötvözeteket és az amorf ötvözeteket innovatív módon kell hőkezelni-.
Nehéz
Költség: A HIP technológia tetemes beruházási és üzemeltetési költségei megnehezítik a kis- és{0}}közepes méretű vállalkozások számára, hogy megengedhessék magukat.
A deformáció szabályozása: A hőkezelés során összetett szerkezeti részek deformálódhatnak, ezért szimulációval javítani kell a tartószerkezet kialakítását.
Szabványhiány: Az iparnak nincs egységes szabályrendszere a hőkezelési folyamatokra vonatkozóan, és átfogó láncszabványrendszerre van szükség az anyagoktól az alkatrészekig.