Mi a szerepe a stresszoldó hőkezelésnek a fém 3D nyomtatásban?

1. A maradványfeszültség kialakulásának módja és veszélyei
A termikus feszültség felhalmozódás fizikai természete
A lézer- vagy elektronsugarak nagyon magas (2000 fok feletti) hőmérsékletet hoznak létre kis helyeken a fém 3D nyomtatási folyamata során. Ez megolvasztja a fémport, és olvadt fém medencét képez. A lézersugár eltolásakor az olvadt medence gyorsan lehűl és megkeményedik, ami a közeli helyek hőmérsékletének változását idézi elő. Ez az egyenetlen hőtágulás és összehúzódás bonyolult feszültségmezőt hoz létre az alkatrész belsejében. Titánötvözetből készült repülőkonzolok nyomtatásakor a felfüggesztett szerkezetnek nincs támasztéka, és a helyi feszültség megközelítheti az anyag folyáshatárának 80%-át, ami jóval meghaladja az anyag teherbírási határát.
A stressz által okozott gyakori problémák
Ha a maradék feszültséget nem engedik el gyorsan, az három fő problémát fog okozni:
Geometriai instabilitás: Ha a feszültség túl nagy ahhoz, hogy az anyag össze tudjon kötődni az aljzattal, az alkatrész meghajlik és alakja megváltozik. Egy repülőgép hajtóművének esettanulmánya megállapította, hogy a nem kezelt penge 3,2 mm-rel meghajlott a nyomtatás után, ami jóval több, mint az összeszereléshez szükséges 0,1 mm-es tűrés.
Repedés keletkezése: Valószínűleg az a hely, ahol a feszültség felhalmozódik, ott kezdődik a repedés. Nikkel-alapú, magas-hőmérsékletű ötvözet turbinatárcsák nyomtatásakor a kezeletlen alkatrészek repedési gyakorisága 42%, de hőkezelést követően 2% alá csökken.
A teljesítmény romlása: A maradék feszültség lerövidítheti az anyagok élettartamát. Kísérletek kimutatták, hogy a 316 literes rozsdamentes acél alkatrészek kezeletlen állapota 60%-kal csökkenti a nagy ciklusú kifáradási élettartamot a hőkezelés utáni állapothoz képest.
2. A feszültségmentesítő hőkezelés műszaki elmélete és végrehajtási folyamata
A feszültség levezetésének fizikai módja
A feszültségmentesítő hőkezelés azt jelenti, hogy az alkatrészt egy bizonyos hőmérsékleti tartományra (általában az olvadáspont 0,4-0,6-szorosára) melegítik, hogy az anyag nagyon rugalmas legyen. Ezen a hőmérsékleten az atomok mozgási képessége javul, és az apró hibák, mint például a diszlokációk és lyukak újraszerveződnek, ami apró képlékeny deformációval lassan feloldja a belső feszültséget. Példaként a nikkel-alapú Inconel 718 ötvözetet figyelembe véve, 4 óra 620 fokos szigetelés után a maradékfeszültség 380 MPa-ról 50 MPa alá csökkenthető.
A folyamatparaméterek pontos szabályozása
A feszültségmentesítő hőkezelést leginkább a fűtési sebesség, a szigetelés hőmérséklete, a szigeteléshez szükséges idő és a hűtés módja befolyásolja:
Fűtési sebesség: Ne melegedjen túl gyorsan, mert ez további stresszt okozhat. Az alumíniumötvözet alkatrészek melegítési sebességét legfeljebb 10 fok/perc értéken kell tartani.
Szigetelési hőmérséklet: Általában alacsonyabbra tervezték, mint a kristályok képződésének hőmérséklete. A Ti6Al4V titánötvözet hőkezelésének normál hőmérsékleti tartománya 593-649 Celsius fok. Ez a legjobb módja a feszültség oldásának és a szemcseszerkezet javításának.
Hűtés módja: Használjon kemencehűtést vagy szabályozott sebességű hűtést, hogy elkerülje a túl gyors hűtésből eredő extra stresszt. Egy orvosi implantátum példája azt mutatja, hogy a színpadi hűtési technika (600 fok → 400 fok → szobahőmérséklet) 0,05 mm-en belül szabályozhatja az alkatrészek deformációját.
A vákuumkörnyezet előnyei
A vákuumos hőkezelés lett a legjobb választás a csúcsminőségű{0}}gyártáshoz, mivel megszabadul az oxidáció és a szennyeződés kockázatától. A TAV Vacuum Furnace Company tesztjei kimutatták, hogy a vákuumban hőkezelt 316 literes rozsdamentes acél alkatrészek 40%-kal simább felületűek, és 25%-kal jobban ellenállnak a korróziónak, mint a levegőben hőkezelt alkatrészek. Ezenkívül a vákuum atmoszféra megakadályozhatja az olyan problémákat, mint a hidrogén ridegsége, ami tökéletessé teszi a repülőgépipar számára, ahol az anyagtisztaság nagyon fontos.
3. A stresszoldó hőkezelés hasznossága a való világban és az üzleti életben
Teljesítménygarancia a repülőgépiparban
A feszültségcsökkentő hőkezelés fontos lépés a repülőgépmotorok lapátjainak elkészítésében, mivel ez biztosítja az alkatrészek megbízhatóságát. A GE Aviation továbbfejlesztette a hőkezelési technikát, így 75%-kal csökkenti az egykristály nikkel{1}}alapú ötvözet pengék maradványfeszültségét, és háromszor hosszabb élettartamot biztosít. A turbinatárcsa alacsony ciklusú kifáradási élettartama egy bizonyos típusú turbóventilátoros motorban 500 ciklusról 2000 ciklusra nőtt a hőkezelés után. Ez megfelel a hosszú élettartamú-tervezés igényeinek.
Az orvosi implantátumok biokompatibilitásának javítása
A titánötvözetből készült ortopédiai implantátumoknak nagyon erősnek és nagyon rugalmasnak kell lenniük. A feszültségoldó hőkezelés csökkentheti az implantátumok rugalmassági modulusát, és megszabadulhat a feldolgozási feszültségtől, ami segíthet csökkenteni a "feszültségvédő hatást". Kísérleti bizonyítékok azt mutatják, hogy a Ti6Al4V implantátumok modulusa a hőkezelést követően 110 GPa-ról 85 GPa-ra csökken, jobban illeszkedve az emberi csontszövethez (10-30 GPa), és jelentősen javítja a csontintegrációt.
Formagyártás precíz vezérléssel
A formaacél 3D-nyomtatásánál a feszültségmentesítő hőkezelés megakadályozhatja a hődeformációt a nyomtatási folyamat során, és gondoskodhat arról, hogy a formaüreg megfelelő méretű legyen. Egy bizonyos gépkocsi öntőforma azt jelzi, hogy a hőkezelést követően a formaüreg mérettűrése ± 0,1 mm-ről ± 0,02 mm-re megy, ami a precíziós fröccsöntéshez szükséges. A hőkezelés ugyanakkor kopásállóbbá teheti a formát, ami megkétszerezheti vagy megháromszorozhatja élettartamát.