Kāda ir stresa mazināšanas termiskās apstrādes loma metāla 3D drukāšanā?

1. Atlikušā sprieguma veidošanās metode un briesmas
Termiskā sprieguma uzkrāšanās fiziskais raksturs
Lāzera vai elektronu stari rada ļoti augstu temperatūru (virs 2000 grādiem) nelielās vietās metāla 3D drukāšanas procesa laikā. Tas izkausē metāla pulveri un veido izkausēta metāla baseinu. Kad lāzera stars tiek novirzīts prom, izkusušais baseins ātri atdziest un sacietē, kas izraisa temperatūras izmaiņas tuvumā esošajās vietās. Šī nevienmērīgā termiskā izplešanās un saraušanās rada sarežģītu sprieguma lauku detaļas iekšpusē. Drukājot titāna sakausējuma aviācijas kronšteinus, piekārtajai konstrukcijai nav atbalsta, un vietējais spriegums var tuvoties 80% no materiāla tecēšanas robežas, kas ir daudz augstāks par materiāla nestspējas robežu.
Bieži sastopamas problēmas, ko izraisa stress
Ja atlikušā spriedze netiek ātri atbrīvota, tas radīs trīs galvenās problēmas:
Ģeometriskā nestabilitāte: ja sasprindzinājums ir pārāk liels, lai materiāls varētu savienoties ar pamatni, daļa izlocīsies un mainīs formu. Lidmašīnas dzinēja lāpstiņas gadījuma izpētē atklājās, ka neapstrādātais asmens pēc drukāšanas saliecās par 3,2 mm, kas ir daudz vairāk nekā montāžai nepieciešamā 0,1 mm pielaide.
Plaisu rašanās: vieta, kur uzkrājas spriedze, visticamāk, ir vieta, kur sākas plaisas. Drukājot uz niķeļa{1}}bāzes augstas{2}temperatūras sakausējuma turbīnu diskiem, neapstrādātām daļām plaisu biežums ir 42%, bet pēc termiskās apstrādes tas samazinās līdz mazāk nekā 2%.
Veiktspējas pasliktināšanās: atlikušais spriegums var saīsināt materiālu kalpošanas laiku. Eksperimenti ir parādījuši, ka 316 l nerūsējošā tērauda komponentu neapstrādāts stāvoklis samazina augsta cikla noguruma kalpošanas laiku par 60%, salīdzinot ar stāvokli pēc-termiskās apstrādes.
2. Sprieguma samazināšanas termiskās apstrādes tehniskā teorija un process
Fizisks veids, kā atbrīvoties no spriedzes
Sprieguma samazināšanas termiskā apstrāde nozīmē daļas karsēšanu līdz noteiktam temperatūras diapazonam (parasti 0,4 līdz 0,6 reizes lielāka par kušanas temperatūru), lai materiāls būtu ļoti elastīgs. Šajā temperatūrā tiek uzlabota atomu pārvietošanās spēja, un tiek reorganizēti sīki defekti, piemēram, izmežģījumi un caurumi, kas lēnām atbrīvo iekšējo spriegumu niecīgas plastiskas deformācijas rezultātā. Ņemot par piemēru niķeļa -sakausējumu Inconel 718, pēc 4 stundu izolācijas 620 grādu temperatūrā tā atlikušo spriegumu var samazināt no 380 MPa līdz mazāk nekā 50 MPa.
Precīza procesa parametru kontrole
Galvenās lietas, kas ietekmē stresa mazināšanas termisko apstrādi, ir sildīšanas ātrums, izolācijas temperatūra, laiks, kas nepieciešams izolācijai, un veids, kā tā atdziest:
Sildīšanas ātrums: nevajadzētu uzkarst pārāk ātri, jo tas var radīt papildu stresu. Alumīnija sakausējuma detaļu sildīšanas ātrumam jābūt mazākam vai vienādam ar 10 grādiem/min.
Izolācijas temperatūra: parasti paredzēta zemākai par temperatūru, kurā veidojas kristāli. Normālais temperatūras diapazons titāna sakausējuma Ti6Al4V termiskai apstrādei ir no 593 līdz 649 grādiem pēc Celsija. Tas ir labākais veids, kā mazināt spriedzi un uzlabot graudu struktūru.
Kā atdzesēt: izmantojiet krāsns dzesēšanu vai kontrolētu dzesēšanas ātrumu, lai izvairītos no papildu stresa, ko rada pārāk ātra dzesēšana. Medicīniskā implanta piemērs parāda, ka skatuves dzesēšanas tehnika (600 grādi → 400 grādi → istabas temperatūra) var regulēt komponentu deformāciju 0,05 mm robežās.
Vakuuma vides priekšrocības
Vakuuma termiskā apstrāde ir kļuvusi par labāko izvēli augstas kvalitātes{0}}ražošanai, jo tā novērš oksidācijas un piesārņojuma risku. Uzņēmuma TAV Vacuum Furnace Company testi atklāja, ka 316 L nerūsējošā tērauda detaļām, kas tiek termiski apstrādātas vakuumā, ir par 40% gludāka virsma un par 25% labāka izturība pret koroziju nekā detaļām, kuras termiski -apstrādā gaisā. Turklāt vakuuma atmosfēra var novērst tādas problēmas kā ūdeņraža trauslums, kas padara to ideāli piemērotu gaisa kuģu rūpniecībai, kur materiāla tīrība ir ļoti svarīga.
3. Stresa mazināšanas termiskās apstrādes lietderība reālajā pasaulē un biznesā
Veiktspējas garantija aviācijas un kosmosa nozarē
Sprieguma samazināšanas termiskā apstrāde ir svarīgs solis aviācijas dzinēju lāpstiņu izgatavošanā, jo tā nodrošina detaļu uzticamību. Uzņēmums GE Aviation ir uzlabojis termiskās apstrādes paņēmienu, lai tas par 75% samazinātu atlikušo spriegumu monokristāla niķeļa{1}} sakausējuma asmeņos un trīs reizes ilgāk kalpotu. Turbīnas diska zema cikla noguruma kalpošanas laiks noteikta veida turboventilatora dzinējā pēc termiskās apstrādes ir no 500 cikliem līdz 2000 cikliem. Tas atbilst ilgstošam-dizaina vajadzībām.
Medicīnisko implantu bioloģiskās saderības uzlabošana
Ortopēdiskajiem implantiem, kas izgatavoti no titāna sakausējuma, jābūt gan ļoti spēcīgiem, gan ļoti elastīgiem. Stresa mazināšanas termiskā apstrāde var pazemināt implantu elastības moduli un atbrīvoties no apstrādes stresa, kas var palīdzēt mazināt "stresa aizsardzības efektu". Eksperimentālie pierādījumi liecina, ka Ti6Al4V implantu modulis pēc termiskās apstrādes samazinās no 110 GPa līdz 85 GPa, ciešāk sakrītot ar cilvēka kaulaudiem (10-30 GPa) un būtiski uzlabojot kaulu integrāciju.
Veidņu ražošana ar precīzu kontroli
Drukājot 3D veidņu tēraudu, spriedzes samazināšanas termiskā apstrāde var apturēt termiskās deformācijas rašanos drukāšanas procesā un pārliecināties, ka veidnes dobumam ir pareizais izmērs. Konkrēts automobiļu veidņu korpuss norāda, ka pēc termiskās apstrādes veidnes dobuma izmēru pielaide mainās no ± 0,1 mm līdz ± 0,02 mm, kas ir nepieciešama precīzai iesmidzināšanai. Tajā pašā laikā termiskā apstrāde var padarīt veidni izturīgāku pret nodilumu, kas var dubultot vai trīskāršot tās kalpošanas laiku.