Як параметри термообробки впливають на кінцеву продуктивність деталі?

1. Температурний параметр: реконструкція мікроструктури за рахунок фазового переходу
Контроль температури і фазового складу твердого розчину
Температура обробки розчину безпосередньо впливає на те, наскільки добре легуючі елементи розчиняються в металевій матриці. Зміцнюючим ядром тривимірно надрукованої нержавіючої сталі 17-4PH є частинки міді, які випадають з її мартенситної матриці. Коли температура твердого розчину підтримується між 1040 і 1080 градусами, мідний елемент повністю розчиняється в аустенітній матриці, утворюючи перенасичений твердий розчин. Якщо температура нижче 1000 градусів, залишки частинок міді недостатньо зміцнять матеріал. Якщо температура перевищить 1100 градусів, матеріал стане менш міцним, оскільки зерна стануть більшими. Згідно з дослідженнями Інституту металів Академії наук Китаю, обробка HIP при температурі 950 градусів може допомогти мартенситу змінитися на + двофазну структуру в сплаві Ti6Al4V. Це збільшує відносне подовження до 13,15%, зберігаючи при цьому межу текучості на рівні 909,5 МПа.
Поліпшення температури та поведінки опадів при старінні
Обробка часу робить речі міцнішими, керуючи розміром і розподілом частинок другої фази. Команда Шанхайського технологічного університету зістарила сплав CuCrZr, виготовлений SLM, при 500 градусах протягом 1 години. Це підвищило його міцність на розрив з 460 МПа до 585 МПа, а його провідність з 31% IACS до 64% ​​IACS. Механізм зміцнення заснований на тому, що атоми Cr виходять з мідної матриці в процесі старіння. Це створює нанорозмірні частинки CrxZry, які зупиняють міграцію дислокацій через механізм зміцнення Orowan. Коли температура старіння досягає 550 градусів, фази, що виділяються, стають більш грубими, що робить матеріал слабшим. Однак матеріал стає більш пластичним, із збільшенням пластичності на 20% через зниження опору ковзанню дислокацій.
2. Параметр часу: баланс між виправленням помилок і продуктивністю
Час витримки та ефективність закриття пор
Тривалість витримки безпосередньо впливає на те, наскільки добре відновлюються пори після процедури HIP. Дослідження процесу HIP для сплаву Ti6Al4V показує, що при 920 градусах /140 МПа 2-годинна обробка може зменшити пористість з 0,8% до 0,02% і досягти щільності 99,99%; Якщо час витримки подовжується до 4 годин, пористість далі зменшується до 0,005%, але розмір зерна збільшується з 10 мкм до 15 мкм, що призводить до зниження межі текучості на 8%. Це означає, що час витримки може зробити речі щільнішими, але також може викликати дивне зростання зерна. Отже, потрібно знайти баланс між виправленням дефектів і підтримкою продуктивності.
Кінетика зміни фази і час ізоляції
Ізоляційний час обробки твердим розчином повинен забезпечити повне розчинення всіх елементів сплаву. Для високотемпературного-сплаву IN718, надрукованого на 3D-вимірі, витримування його при 1080 градусів протягом 1 години може повністю розчинити елемент Nb у матриці. Якщо період ізоляції скоротити до 30 хвилин, фаза зміцнення '' не може повністю виникнути, що призводить до-високотемпературної повзучості на 40%. Тривалість ізоляції матеріалу під час старіння впливає на розмір фаз, що утворюються. Наприклад, після старіння при 720 градусах протягом 8 годин, фаза в сплаві 718 має розмір 50 нм, що є найкращим для зміцнення. Після 16 годин старіння фаза, що випала, зросла до 100 нм, що призвело до зниження міцності на 15%.
3. Швидкість охолодження: вдосконалення організації та контроль залишкової напруги
Швидкість загартування і отримання мартенситу
Швидкість, з якою метал охолоджується під час загартування, впливає на те, які продукти фазового переходу він матиме. Для 3D-друкованої інструментальної сталі H13 швидкість охолодження в маслі 50 градусів за секунду може створити мартенсит плоскої локшини з твердістю 52HRC. Якщо охолодити його повітрям (5 градусів / с), утвориться структура бейніту і твердість впаде до 40HRC. Незважаючи на те, що швидке загартування може зробити речі твердішими, це також може призвести до їх тріщин. Щоб знайти правильний баланс між твердістю та залишковою напругою, потрібне градуйове гартування (наприклад, спочатку охолодження до 600 градусів, а потім охолодження маслом).
Повільна швидкість охолодження та зняття стресу
Повільна швидкість охолодження під час обробки відпалом впливає на те, як звільняється залишкова напруга. Знадобилося 2 години, щоб охолодити алюмінієвий сплав AlSi10Mg для 3D-друку від 300 градусів до кімнатної температури зі швидкістю 5 градусів за хвилину. Це зменшило залишкову напругу на 70%. Якщо швидкість охолодження підвищити до 20 градусів / хв, залишкова напруга знизиться лише на 30%. Повільне охолодження сприяє перегрупуванню дислокацій і міграції меж зерен, що знімає стрес. Однак надто низька швидкість охолодження може спричинити укрупнення зерна, тому потрібні відповідні параметри оптимізації матеріалу.
4. Багато{1}}параметрична спільна оптимізація: від методу «проб і помилок» до «точного контролю»
Цифрова технологія близнюків керує прогнозуванням параметрів
Siemens і Boeing працювали разом, щоб створити цифрову подвійну платформу, яка може показати, як змінюються температурне поле, поле напруги та мікроструктура надрукованого на 3D-принтері сплаву Ti6Al4V під час обробки HIP. Система може визначити найкращий метод HIP (наприклад, 920 градусів /140 МПа/2 год), беручи до уваги такі речі, як початкова пористість і розмір зерна. Завдяки цьому деталі можуть служити втричі довше, а кількість тестувань скорочується вдвічі.
Інверсія параметрів за допомогою машинного навчання
GE Aviation використовує методи машинного навчання для перегляду 100 000 наборів даних термічної обробки та створення моделі відображення «температурно-часової швидкості охолодження». Ця модель може визначити параметри процесу, які будуть працювати для певних потреб продуктивності. Коли, наприклад, сплав IN718 має підтримувати термін повзучості 1000 годин при 650 градусах, система пропонує схему процесу зі старінням 1080 градусів /1 год твердого розчину+720 градус /8 год. Виміряний термін повзучості становить 1200 годин.
5. Практичний приклад галузі: шлях від лабораторії до фабрики
Галузь аерокосмічної галузі
Для покращення 3D-друку дисків турбіни з високотемпературного-сплаву на основі нікелю Rolls Royce використовує технологію HIP. Деталі, оброблені HIP, мають термін повзучості 173 години при високій температурі 1400 градусів, що більше, ніж 50 годин, необхідних для основних компонентів двигунів GE9X.
Сфера медичних імплантатів
Після 950 градусів протягом 4 годин обробки HIP на 3D-друкованому імплантаті кульшового суглоба Ti6Al4V від Johnson&Johnson його максимальна міцність на втому досягла 550 МПа (107 циклів), що є таким самим, як і в стані кованого відпалу. Одночасно шорсткість поверхні Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.