Kādas ir izplatītākās termiskās apstrādes metodes metāla 3D drukāšanai?

1. Atlaidināšanas apstrāde: atbrīvojieties no pārpalikušā stresa un padariet izmērus stabilākus.
Atkausēšanas process ietver daļas uzsildīšanu līdz noteiktai temperatūrai (parasti zem pārkristalizācijas temperatūras), turot to tur noteiktu laiku un pēc tam lēnām atdzesējot. Tas atbrīvo materiālā iekšējo spriegumu, attīra vai pārkristalizē graudus, kā arī uzlabo apstrādes veiktspēju un izmēru stabilitāti.
Kur to izmantot:
Stresa mazināšana: lāzera pulvera gultnes kausēšanas (SLM) metode var atstāt atlikušo stresu, jo tā tik ātri atdziest. Rūdīšana var palīdzēt samazināt stresa līmeni, lai materiāls nelocītu vai nesadalītos vēlākas apstrādes vai lietošanas laikā. Piemēram, lidmašīnas konstrukcijas daļas pēc drukāšanas bieži tiek atkausētas 600–650 grādu leņķī, kas samazina spriegumu par vairāk nekā 80%.
Palielina plastiskumu: rūdīšana uzlabo drukāto titāna sakausējuma detaļu (piemēram, Ti6Al4V) graudu izmēru un palielina to pagarinājumu par 15% līdz 20%, padarot tās labākas detaļām, kuras jāveido auksti.
Izmēru stabilizācija: precīzas veidnes vai optiskās daļas var apturēt izmēru novirzi, kas rodas, atlaidinot spriedzi, kas atbilst augstiem{0}}precizitātes standartiem.
Izgatavojot degvielas sprauslas LEAP dzinējiem, GE Aviation izmantoja atkausēšanas tehnoloģiju, lai samazinātu drukāto detaļu atlikušo spriegumu no 300 MPa līdz mazākam par 50 MPa. Tas padarīja detaļas daudz stabilākas augsta-spiediena un augstas{4}}temperatūras iestatījumos.
2. Apstrāde ar šķīdumu un novecošana: sakausējuma stiprināšana
Procesa princips:
Apstrāde ar cietu šķīdumu: sakausējuma karsēšana līdz augstas -temperatūras vienas-fāzes zonai, lai pilnībā izšķīdinātu izšķīdušās vielas atomus, radot pārsātinātu cieto šķīdumu, kam seko ātra dzesēšana (piemēram, dzesēšana ar ūdeni), lai saglabātu augstas -temperatūras struktūru.
Laika apstrāde: Turiet pārsātināto cieto šķīdumu zemākā temperatūrā (parasti no 100 līdz 500 grādiem), lai tas sadalītos un veidotos stiprinošas fāzes, piemēram, "fāze". Tas padarīs materiālu daudz stiprāku un cietāku.
Lietošanas piemērs:
Niķeļa -bāzes augstas- temperatūras sakausējumiem, piemēram, Inconel 718, pēc drukāšanas nepieciešama apstrāde ar cietu šķīdumu (980–1010 grādi) un novecošana (720 grādi × 8 h+620 grādi × 8 h). To stiepes izturība pārsniedz 1500 MPa, kas ir pietiekami spēcīga gaisa kuģu dzinēju turbīnu diskiem.
Alumīnija sakausējums, piemēram, AlSi10Mg, kļūst par 30% cietāks pēc T6 termiskās apstrādes (505 grādu cietā šķīduma + 170 grādu novecošanās). Tas padara to piemērotu vieglām konstrukcijas daļām.
Lai iegūtu vislabāko stiprības un stingrības sajaukumu, Ti6Al4V titāna sakausējumu apstrādā ar cietu šķīdumu (950 grādi) un novecošanu (550 grādi). Tas padara to piemērotu ortopēdiskajiem implantiem.
Piemēram, SpaceX Raptor dzinēja sadegšanas kamera ir veidota no Inconel 718 apdrukātām detaļām, kas saglabā spēku pat pēc ilgstošas ​​karsēšanas līdz 2000 grādiem pēc Celsija, kas ļauj izmantot raķetes atkal un atkal.
3. Karstā izostatiskā presēšana (HIP): atbrīvojoties no iekšējiem defektiem un padarot materiālu blīvāku
Procesa princips: HIP daļā detaļas tiek ievietotas augstspiediena tvertnē- un pakļautas inertas gāzes (piemēram, argona) atmosfērai ar augstu temperatūru (parasti 1000–1200 grādi) un augstu spiedienu (100–200 MPa). Tādējādi materiāls maina formu, aizver poras un mikroplaisas un sasniedz gandrīz 100% blīvumu.
Lietošanas gadījums:
Turbīnu lāpstiņas un sadegšanas kameras ir divas svarīgas lidmašīnas daļas, kurām jāspēj izturēt ļoti augstu temperatūru un spriedzi. HIP apstrāde var novērst starpslāņu savienošanas problēmas un pagarināt noguruma kalpošanas laiku 3 līdz 5 reizes.
HIP ārstēšana tiek izmantota medicīniskiem implantiem, tostarp acetabulāriem kausiem un mugurkaula saplūšanas ierīcēm, lai nodrošinātu, ka materiāli ir bez porām,{0}}mazina metāla jonu izdalīšanās risku un atbilst FDA stingriem bioloģiskās saderības standartiem.
HIP var novērst problēmas, ko izraisa pārpalikušais iekšējais atbalsts sarežģītās konstrukcijas daļās, tostarp dzinēja sprauslās ar dzesēšanas kanāliem, lai pārliecinātos, ka tās darbojas labi.
Piemēram, Siemens Energy izmanto HIP apstrādi, lai izgatavotu gāzturbīnu lāpstiņas. Tas samazina apdrukāto detaļu porainību no 0,5% līdz 0,01%, uzlabo šļūdes veiktspēju augstā-temperatūras apstākļos par 40% un nodrošina asmeņu kalpošanas laiku vairāk nekā 100 000 stundu.
4. Rūdīšana un rūdīšana: pareizā līdzsvara atrašana starp cietību un stingrību
Procesa princips:
Rūdīšana: uzkarsējiet gabalus līdz temperatūrai, kurā tie pārvēršas austenītā, un pēc tam ātri atdzesējiet (piemēram, ar eļļu vai ūdeni), lai izveidotu ļoti cietu martensīta struktūru.
Rūdīšana: lai nojauktu martensītu, atbrīvotos no dzēšanas spriedzes un padarītu materiālu stingrāku, turiet to zemākā temperatūrā (150–650 grādi).
Kur to var izmantot:
Instrumentu tērauds: piemēram, H13 karstās apstrādes veidņu tērauds pēc drukāšanas tiek rūdīts 1050 grādos un rūdīts 580 grādos. Tā cietība ir 52 HRC un par 50% paaugstināta termiskā noguruma veiktspēja, tāpēc tas ir piemērots pres{6}}liešanas veidnēm.
Rūdīšana (1050 grādi) un zemas -temperatūras rūdīšana (200 grādi) padara nerūsējošo tēraudu, piemēram, 316 l, stiprāku un izturīgāku pret koroziju. Tas padara to par labu ķīmisko iekārtu izvēli.
Pēc cietā šķīduma un novecošanas apstrādes martensīta novecošanās tērauds, piemēram, 18Ni300, var sasniegt līdz 2000 MPa stiprību. To izmanto augstas-precizitātes veidnēm vai kosmosa konstrukciju daļām.
Boeing izmanto rūdīšanas procesu, lai izgatavotu 3D drukātas titāna sakausējuma šasijas daļas. Tas padara tos izturīgākus pret triecieniem (35 J/cm²), vienlaikus saglabājot augstu izturību, ko FAA pieprasa lidojumderīguma sertifikācijai.
5. Cikliska termiskā apstrāde: supersakausējumu mikrostruktūras uzlabošana
Procesa princips: Materiāla mikrostruktūra tiek kontrolēta, izejot vairākus sildīšanas un dzesēšanas ciklus. Tas ietver graudu izmēra uzlabošanu un vienmērīgāku sastāva sadalījumu, kas ir piemērots niķeļa{1}}supersakausējumiem, kurus ir grūti apstrādāt.
Kad lietot:
CMSX-4 monokristālu sakausējums: pēc drukāšanas tas tiek pakļauts daudzpakāpju termiskai apstrādei (1280 grādi 2 stundas, 1120 grādi 4 stundas un 870 grādi 24 stundas), lai atbrīvotos no dendrīta segregācijas un uzlabotu to augstā temperatūrā.
Cikliskā termiskā apstrāde var uzlabot karbīdu sadalījumu un padarīt kobalta{0}}sakausējumus, piemēram, Stellite, 6 20% izturīgākus pret nodilumu, padarot tos piemērotus vārstu blīvēšanas virsmām.
Tipiskā scenārijā Rolls Royce izmantoja ciklisku termisko apstrādi, lai izgatavotu RB3025 lidmašīnas dzinēju turbīnu diskus. Tas palielināja drukāto detaļu zema cikla noguruma kalpošanas laiku no 5000 cikliem līdz 20 000 cikliem, kas palīdzēja izveidot jaunas paaudzes dzinējus.
6. Tendences un problēmas nozarē
Inteliģenta vadība: AI algoritmi maina termiskās apstrādes iestatījumus lidojuma laikā, reāllaikā sekojot līdzi temperatūras un stresa datiem. Tas ļauj precīzi regulēt "viena krāsns, viena politika".
Salikts process: Apvienojot termisko apstrādi ar HIP, virsmas pārklājumu un citiem procesiem, mums ir integrēts risinājums, ko sauc par "drukāšanas termiskās apstrādes pārklājumu", kas darbojas labāk un ātrāk.
Materiāla pielāgošanās spēja: lai 3D drukāšana būtu noderīgāka, jauni metāla materiāli, piemēram, augstas entropijas sakausējumi un amorfie sakausējumi, ir jāapstrādā novatoriski termiski{1}}.
Grūti
Izmaksas: HIP tehnoloģiju lielās investīcijas un darbības izmaksas apgrūtina maziem un vidējiem{0}}uzņēmumiem to atļauties.
Deformācijas kontrole: termiskās apstrādes laikā sarežģītas konstrukcijas daļas var deformēties, tāpēc atbalsta dizains ir jāuzlabo, izmantojot simulāciju.
Standarta trūkums: nozarei nav vienota noteikumu kopuma termiskās apstrādes procesiem, un ir jābūt visaptverošai ķēdes standarta sistēmai no materiāliem līdz detaļām.