Чи вплине термообробка на точність розмірів деталей?

一 Основний спосіб, у який термічна обробка змінює розмір речей
1. Зняття залишкової напруги та термічної напруги
Метод металевого 3D-друку швидко нагріває та охолоджує матеріал, що викликає спотворення внутрішньої решітки та залишкову напругу. Щоб зняти напругу через релаксацію решітки, термічна обробка полягає в нагріванні до температури, нижчій від температури рекристалізації (наприклад, витримування титанового сплаву при 800 градусах протягом 2 годин). Але нерівномірність зняття напруги може викликати локальну деформацію. Наприклад, якщо конструкція опорної конструкції для лопаток турбіни авіаційного двигуна є поганою, видалення опори після термічної обробки може спричинити локальну концентрацію напруги та викривлення краю лопаті з деформацією 0,1–0,3 мм.
2. Зміна об’єму внаслідок зміни фази
Під час термічної обробки матеріали можуть змінювати фази (наприклад, мартенситне перетворення), що може призвести до збільшення або зменшення їх об’єму. Наприклад, високотемпературні-сплави на основі нікелю можуть змінювати аустеніт на мартенсит, якщо швидкість охолодження надто висока після обробки розчином (1080 градусів протягом 1 години). Це може спричинити збільшення об’єму та зміни розміру деталей, надрукованих за допомогою лазерного плавлення шару порошку (LPBF). Експериментальні дані показують, що критична похибка розмірів компонентів без регульованої швидкості охолодження може досягати ± 0,05 мм після-термічної обробки, що перевищує допустимі межі, встановлені авіаційними стандартами.
3. Зростання зерен і однорідність тканин
Контроль швидкості нагрівання та часу витримки під час термічної обробки може покращити однорідність тканини та розмір зерна. Але якщо зерна ростуть нерівномірно, це може спричинити різну кількість усадки в різних місцях. Наприклад, нагрівання композиту, армованого безперервним вуглецевим волокном (CCFRC) до 100 градусів, підвищує кристалічність його матриці з 17,42% до 22,76%. Але якщо волокна розташовані нерівномірно, це може спричинити різницю у розмірі від 0,02 до 0,05 мм, що ускладнить правильне з’єднання речей.
2. Типовий приклад: термічна обробка має два впливи на точність розмірів
1. Аерокосмічна промисловість: пошук правильного балансу між високою точністю та продуктивністю
Компанія Boeing виготовляє кронштейни для літаків за технологією LPBF, однак їх потрібно термічно -обробити, щоб підвищити міцність на розрив до 520 МПа. Але після термічної обробки стає важко підтримувати розміри шматків стабільними. Щоб отримати точний контроль, виконайте наступне:
Попередня-компенсація деформації: використовуйте зворотну попередню-деформацію на оригінальній моделі, щоб наблизити скомпенсовану модель до оптимального розміру після термічної обробки. Це підвищить точність друку на 66,2%.
Сегментований нагрів і охолодження: використання поетапного нагріву (утримання при 50 градусах протягом 30 хвилин) і відстроченого охолодження (охолодження повітрям після охолодження печі до 200 градусів) для зменшення теплового стресу, спричиненого температурними градієнтами, з деформацією, що регулюється в межах ± 0,03 мм.
2. Медичні імпланти: поєднання біосумісності та правильності розмірів
Під час 3D-друку кульшових чашок із титанового сплаву мікропориста структура поверхні (5–10 мкм) має бути дуже точною щодо розміру. Конкретна компанія отримує точний контроль за допомогою комбінованого методу «відпал для зняття напруги + кислотне травлення»:
Відпал із зменшенням напруги: витримуйте при 650 градусах протягом 2 годин, щоб позбутися залишків напруги друку та зменшити ймовірність зміни розміру під час наступного кислотного травлення.
Обробка травлення кислотою: використовуйте суміш фтористоводневої кислоти та розчину азотної кислоти для травлення протягом 10 хвилин, щоб створити однорідні мікропори. Це запобіжить звільненню від напруги, що спричинить місцеву корозію. Розбіжності в розмірах повинні бути в межах ± 0,02 мм.
3. Промислові форми: пошук правильного балансу між вартістю та використанням
За допомогою процедури термічної обробки «твердий розчин+старіння» певна компанія виготовила форми з алюмінієвих сплавів твердішими до 120HB. Однак їм потрібно знайти компроміс між вартістю та точністю:
Ефективний-метод полягає в лише піскоструминній обробці (значення Ra менше або дорівнює 3,2 мкм) деталей для виконання типових потреб у формуванні пластику. Це знижує вартість кожного шматка на 40%, але розміри не дуже стабільні.
Високо{0}}продуктивне рішення: покращує точність обробки з ЧПК (значення Ra менше або дорівнює 0,8 мкм), що добре підходить для деталей форми, які мають бути дуже блискучими або прозорими. Це втричі збільшить час обробки, але точність розмірів буде ± 0,01 мм.
3. Стратегія контролю точності розмірів: удосконалення процесів і розробка нових технологій
1. Зіставлення параметрів процесу: змусити процеси термічної обробки та друку працювати разом
Параметри для термічної обробки мають бути такими ж, як і для процесу 3D-друку, наприклад, температура та швидкість охолодження. Наприклад, якщо ви друкуєте зі сплаву Inconel 718 за допомогою LPBF і шар друку має товщину 0,05 мм, вам потрібно застосувати обробку розчином 1150 градусів і обробку старінням 720 градусів, щоб мінімізувати тріщини та зміни розмірів, які виникають, коли матеріал надто швидко охолоджується. Випробування показали, що відповідність параметрів може збільшити термін служби деталей у три рази та зробити їх розміри стабільнішими на 50%.
2. Розумна система керування температурою: стежить за процесом у реальному часі та вносить зміни за потреби
Використовуючи інфрачервоні датчики та контроль температури зі зворотним зв’язком, інтелектуальна система управління температурою робить теплове поле більш рівномірним. Система ШІ від Platinum Technology може змінювати потужність лазера та швидкість сканування в реальному часі. Це запобігає надмірній зміні температури під час друку кронштейнів із титанового сплаву, зберігаючи її в межах ± 5 градусів. Після термічної обробки система також зменшує відхилення розмірів від ± 0,05 мм до ± 0,02 мм.
3. Нові способи термічної обробки речей: локальний нагрів і композиційний процес
Локальна термічна обробка: індукційне нагрівання або лазерна локальна термічна обробка використовується на великих шматках, щоб уникнути їх деформації під час нагрівання. Завдяки місцевій обробці розчином конкретний авіаційний кронштейн досяг міцності на розрив 520 МПа та стабільності розмірів більше ніж ± 0,03 мм.
Композитний процес: використання термічної обробки та гарячого ізостатичного пресування (HIP) разом, щоб позбутися внутрішніх дефектів і покращити структуру. Термін служби турбінних лопаток авіаційних двигунів GE в три рази довший після обробки HIP, а розмірна деформація зберігається нижче 0,05%.