Які переваги обробки HIP у пост-обробці металевого 3D-друку?

1. Позбавлення від внутрішніх дефектів: від «пористості» до «нуля дефектів»
Не-нерівноважне затвердіння, спричинене швидким охолодженням, може створити крихітні дірки під час 3D-друку в металі. З іншого боку, розбирання опорних структур або не повністю розплавлений порошок може призвести до макроскопічної усадки. Ці дефекти можуть спричинити появу тріщин, що значно скорочує термін служби деталей від втоми. Технологія HIP усуває дефекти за допомогою таких методів:
Закриття пор і поєднання металів
Коли металеві матеріали нагріваються до високої температури (зазвичай у 0,5–0,8 разів вище точки плавлення матеріалу) і піддаються високому тиску (100–200 МПа), вони стають дуже гнучкими. Тиск газу змушує метал навколо пор змінювати форму, контактуючи один з одним і утворюючи металургійні зв’язки. Завдяки цьому об’єм пор зменшується, поки він не зникне. Наприклад, після обробки HIP пористість високотемпературного сплаву IN718, виготовленого за технологією SLM, збільшилася з 0,8% до 0,02%, що зробило його щільність 99,99%, що необхідно аерокосмічній промисловості для забезпечення надійності матеріалів.
Загоєння мікротріщин
Термічна напруга під час 3D-друку на металі може спричинити появу мікротріщин. Завдяки високій-температурі відпалу під час обробки HIP позбавляється від залишкової напруги, а високий{3}}тиск середовища змушує верхівку зламу пластично згинатися, що закриває тріщину та створює стабільну структуру між зернами. Експериментальні дані показують, що обробка HIP може зменшити щільність тріщин у нержавіючій сталі 316L на 90% і підвищити міцність на руйнування на 30%.
Подрібнення зерен і підвищення однорідності мікроструктури
Високо{0}}температурний процес HIP — це те саме, що й обробка відпалом, яка може позбутися недоохолодженої структури або метастабільної фази, яка утворюється, коли SLM швидко охолоджується. Після обробки HIP, наприклад, грубі стовпчасті кристали сплаву Ti6Al4V перетворюються на дрібні рівновісні кристали, а розмір зерна змінюється від 50 мкм до 10 мкм. Це робить матеріал набагато більш гнучким і стійким до втоми.
2. Покращення механічних характеристик: пошук правильного балансу між міцністю та міцністю
Обробка HIP має два впливи на механічні характеристики металевих 3D-друкованих деталей:
Міцність і пластичність краще поєднуються.
Міцність матеріалу може трохи знизитися (зазвичай на 5%-15%) після обробки HIP, але його показники пластичності, як-от подовження, значно підвищуються. Наприклад, після обробки HIP міцність на розрив алюмінієвого сплаву AlSi10Mg, виготовленого за технологією SLM, знизилася з 420 МПа до 380 МПа, але подовження зросло з 8% до 15%, що добре для легких структурних деталей в автомобілях.
Значне покращення стійкості до втоми
Основною причиною розвитку втомної тріщини є внутрішні дефекти. Позбавляючись від пір і мікротріщин, обробка HIP значно збільшує втомну довговічність деталей. Наприклад, високотемпературна -втомна довговічність сплаву IN718, обробленого HIP при 650 градусах і 690 МПа, збільшилася з 50 годин без обробки до 173 годин. Це відповідає вимогам терміну служби авіаційних двигунів GE щодо основних частин.
Анізотропне видалення
Якість міжшарового з’єднання металевого 3D-друку може призвести до того, що механічні властивості відрізняються в різних напрямках. Матеріал працює однаково в усіх напрямках, коли його обробляють HIP, який використовує рівномірний тиск на 360 градусів. Наприклад, різниця в радіальних і осьових коефіцієнтах тертя між керамічними кульками з нітриду кремнію, обробленими HIP, становить менше 5%, що набагато краще, ніж стандартні методи спікання.
3. Розширення сфери застосування: перехід від «доступного» до «надійного»
Обробка HIP допомагає з технічної сторони використання технології 3D-друку металу в широкому масштабі в галузях, де вона користується великим попитом.
Аерокосмічний сектор
Лопаті турбіни, камери згоряння та інші частини двигуна літака повинні бути здатні працювати в умовах високих температур, високого тиску та високого навантаження. Обробка HIP може позбутися тріщин від термічної напруги, які виникають, коли процес SLM надто швидко охолоджується, а також може покращити матеріали при високій -температурній повзучості. Rolls Royce, наприклад, використовує диски турбіни з -обробленим нікелем-на основі HIP-високотемпературного сплаву, які підвищують робочу температуру від 1200 до 1400 градусів за Цельсієм і відношення тяги-до-ваги на 20%.
Сфера медичних імплантів
Ортопедичні імпланти повинні бути міцними і безпечними для організму. Обробка HIP може позбутися сегрегації альфа-фази в сплаві Ti6Al4V, знизити ймовірність витоку іонів металу та збільшити термін служби матеріалу під напругою. Клінічні дані свідчать про те, що частота несправностей кульшових імплантатів, підданих HIP, зменшилася з 3% до 0,5% через десять років.
Енергетика та судноплавство
Такі деталі, як резервуари ядерного реактора під тиском і кожухи глибоководних-датчиків, мають витримувати дуже суворі умови. Цирконієва кераміка, оброблена HIP-, може витримувати високий тиск у 110 МПа в морських глибинах, а паливний елемент, покритий-карбідом кремнію, може залишатися стабільним за високих температур 1200 градусів. Ці матеріали дуже важливі для четвертого покоління ядерної енергетики.