Чи може термічна обробка покращити показники втоми металевих 3D-друкованих деталей?

Отже, основна проблема з характеристиками втоми полягає в тому, що деталі, надруковані на 3D, мають дефекти від народження.
Проблеми з характеристиками втоми металевого 3D-друку походять від способу його виготовлення. Використовуючи як приклад титановий сплав (Ti-6Al-4V), метод плавлення шару порошку (PBF) швидко розплавляє металевий порошок, а потім затверджує його. Це викликає такі проблеми:
Неоднорідність мікроструктури: основні зерна мають грубу стовпчасту структуру, з більшою кількістю фази біля країв зерен, що полегшує початок втомних тріщин.
Отвори та щілини: якщо порошок не сплавляється повністю або газ розчиняється, внутрішня пористість може становити від 0,5% до 2%, що значно знижує межу втоми.
Залишкова напруга: напруга розтягування, яка виникає внаслідок швидкого охолодження, може становити від 50% до 70% межі текучості матеріалу, що прискорює ріст тріщин.
Інститут металів Академії наук Китаю встановив, що втомна міцність типового титанового сплаву для 3D-друку становить лише 475 МПа, що набагато менше, ніж 900 МПа, яке повинно бути під час кування. Це здебільшого через пори та грубу текстуру, які викликають тріщини.
2, Шлях технології термічної обробки проходить від позбавлення від дефектів до покращення організації.
Керуючи температурою, тривалістю та швидкістю охолодження, теплова обробка досягає трьох основних цілей:
1. Позбавлення від дефектів всередині: Технологія гарячого ізостатичного пресування (HIP)
У процесі HIP використовується інертний газ, наприклад аргон, для зміни тиску при дуже високих температурах (900–1250 градусів) і дуже високому тиску (100–200 МПа). Це змушує матеріал змінювати форму та закривати будь-які отвори в ньому. наприклад:
В аерокосмічній галузі GE Aviation використовувала SLM для друку турбінних лопатей Inconel 718, а потім HIP для їх обробки. Це зменшило пористість з 0,8% до 0,02% і втричі збільшило довговічність.
Удосконалення титанових сплавів: компанія в Чунціні застосувала обробку HIP для 3D-друку Ti-6Al-4V. Це підвищило межу втоми з 550 МПа до 900 МПа, що є таким же, як у кованих умовах, і зробило матеріал набагато менш анізотропним.
2. Технологія спрямованої рекристалізації використовується, щоб зробити розмір зерен більш рівномірним, а мікроструктуру більш однорідною.
Процедура спрямованої рекристалізації Массачусетського технологічного інституту контролює температурний градієнт (наприклад, витяжка зі швидкістю 2,5 мм/год при 1235 градусах), щоб створити стовпчасті кристалічні структури, змушуючи зерна рости в певному напрямку. Ця техніка:
Щоб зупинити повзучість, вирівняйте стовпчасті кристали з віссю найвищого напруження, зупиніть ковзання меж зерен за високих температур і подвоїть термін повзучості високотемпературних сплавів на основі-нікелю-.
Підвищення стійкості до втоми: при використанні лопаток газових турбін, позбавлення від грубого зерна та дислокаційних дефектів підвищує стійкість до початку втомних тріщин на 60%.
3. Контроль фазових змін: твердий розчин з обробкою старінням
Для таких матеріалів, як алюмінієві сплави, обробка розчином (наприклад, витримка при 540 градусах протягом 2 годин) порушує фазу зміцнення. Потім обробка старінням (наприклад, витримування при 155 градусах протягом 8 годин) призводить до утворення нанорозмірних опадів (як θ 'фаза).
Баланс міцності та в’язкості: після термічної обробки T6 межа текучості алюмінієвого сплаву F357 підвищилася з 280 МПа до 380 МПа, але відносне подовження залишилося незмінним і становило 12%.
Процес URQ-HIP від ​​Quintus Technologies поєднує твердий розчин і обробку під високим-тиском, щоб запобігти повторному відкриттю пор, що надає алюмінієвому сплаву F357 довговічність, яка є довшою, ніж стандартне лиття MMPDS.
3, Інженерна практика: перехід від лабораторії до індустріалізації
1. Галузь аерокосмічної галузі
Siemens використовує SLM для друку лез з високотемпературного сплаву-на основі нікелю-. Ці лопаті потім обробляються HIP і спрямованою рекристалізацією для додавання складних каналів охолодження, що робить турбіну на 5% ефективнішою та використовує на 3% менше палива.
Легкі структурні деталі: Boeing 787 оснащено кронштейнами з титанового сплаву, надрукованими на 3D-вимірі, які двічі нагріваються (HIP+старіння), щоб зробити їх на 40% міцнішими та на 30% легшими.
2. Виробництво медичних приладів
Johnson&Johnson Medical відпалили тазостегнові суглоби, надруковані на 3D-друкі, щоб позбутися поверхневого залишкового напруження. Потім вони застосували хімічне полірування, щоб зробити поверхню гладкішою до Ra0,8 мкм і забезпечити термін служби імплантатів понад 20 років.
Розробка проти-втоми: Технологія NAMP Китайської академії наук (покрокове{1}}регулювання-дефектів і тканин) підвищила втомну міцність на розрив імплантату Ti-6Al-4V з 475 МПа до 978 МПа, що є найвищим у світі рівнем.
3. Тема енергетичного обладнання
Ремонт газової турбіни: команда Массачусетського технологічного інституту відремонтувала камеру згоряння зі сплаву на основі нікелю-на 3D-принтері-за допомогою обробки спрямованої рекристалізації. Ця обробка дозволила камері витримати напругу 200 МПа при високій температурі 650 градусів і знизити швидкість повзучості на 80%.
Деталі ядерної енергії: EDF Group у Франції використовує обробку HIP для 3D-друку з’єднань труб з нержавіючої сталі. Це дозволяє позбутися внутрішніх дефектів і зробити з’єднання більш стійкими до корозії завдяки обробці розчином відповідно до правил ядерної безпеки.