Mitkä ovat yleisimmät metallin 3D-tulostuksen lämpökäsittelymenetelmät?

1. Hehkutuskäsittely: päästä eroon ylijäämästä ja tee mitoista vakaammat.
Hehkutusprosessiin kuuluu osan kuumentaminen tiettyyn lämpötilaan (yleensä uudelleenkiteytyslämpötilan alapuolelle), sen pitäminen siellä tietyn ajan ja sitten sen jäähdyttäminen hitaasti. Tämä vapauttaa materiaalin sisäisen jännityksen, jalostaa tai kiteyttää rakeita ja parantaa käsittelytehoa ja mittapysyvyyttä.
Missä sitä käytetään:
Stressin lievitys: Laserjauhepetisulatusmenetelmä (SLM) saattaa jättää jäännösjännitystä, koska se jäähtyy niin nopeasti. Hehkutus voi auttaa alentamaan jännitystasoja, jotta materiaali ei taipu tai halkeile myöhemmän käsittelyn tai käytön aikana. Esimerkiksi lentokoneen rakenneosat hehkutetaan usein 600–650 asteessa painatuksen jälkeen, mikä alentaa jännitystä yli 80 %.
Muovisuuden parantaminen: Hehkutus jalostaa painettujen titaaniseososien (kuten Ti6Al4V) raekokoa ja lisää niiden venymää 15–20 %, mikä tekee niistä parempia osille, jotka on muokattava kylmänä.
Mittojen stabilointi: Tarkkuusmuotit tai optiset osat voivat pysäyttää mittojen poikkeaman, joka tapahtuu, kun jännitys vapautuu hehkutuskäsittelyllä, joka täyttää korkeat -tarkkuusstandardit.
LEAP-moottoreiden polttoainesuuttimien valmistuksessa GE Aviation käytti hehkutustekniikkaa painettujen osien jäännösjännityksen alentamiseksi 300 MPa:sta alle 50 MPa:iin. Tämä teki osista paljon vakaampia korkeassa-paineessa ja korkeassa{4}}lämpötila-asetuksissa.
2. Käsittely liuoksella ja vanhentaminen: seoksen vahvistaminen
Prosessin periaate:
Kiinteän liuoksen käsittely: Seoksen kuumentaminen korkean-lämpötilan yksivaiheiseen-vyöhykkeeseen liukenevien aineiden atomien täysin liukenemiseksi, ylikyllästyneen kiinteän liuoksen muodostamiseksi, mitä seuraa nopea jäähdytys (kuten vesisammutus) korkean -lämpötilan rakenteen säilyttämiseksi.
Aikakäsittely: Pidä ylikyllästynyt kiinteä liuos alemmassa lämpötilassa (tyypillisesti välillä 100-500 astetta), jotta se hajoaa ja muodostaa vahvistavia faaseja, kuten "faasi". Tämä tekee materiaalista paljon vahvemman ja kovemman.
Käyttöesimerkki:
Nikkeli-pohjaiset korkean lämpötilan-seokset, kuten Inconel 718, tarvitsevat kiinteän liuoskäsittelyn (980–1010 astetta) ja vanhentamiskäsittelyn (720 astetta × 8 h+620 astetta × 8 h) painatuksen jälkeen. Niiden vetolujuus on yli 1500 MPa, mikä riittää lentokoneiden moottorien turbiinilevyille.
Alumiiniseos, kuten AlSi10Mg, kovettuu 30 % T6-lämpökäsittelyn jälkeen (505 astetta kiinteä liuos + 170 astetta vanhenee). Tämä tekee siitä hyvän kevyille rakenneosille.
Parhaan lujuuden ja sitkeyden yhdistelmän saamiseksi Ti6Al4V-titaaniseos käsitellään kiinteällä liuoksella (950 astetta) ja vanhentamalla (550 astetta). Tämä tekee siitä hyvän ortopedisille implanteille.
Esimerkiksi SpaceX:n Raptor-moottorin polttokammio on rakennettu Inconel 718 -painetuista osista, jotka pysyvät vahvoina myös pitkän 2000 celsiusasteen kuumentamisen jälkeen, mikä mahdollistaa rakettien käytön yhä uudelleen ja uudelleen.
3. Kuumaisostaattinen puristus (HIP): päästä eroon sisäisistä vioista ja tiivistää materiaalia
Prosessin periaate: HIP:ssä osat laitetaan korkeapaineiseen -painesäiliöön ja altistetaan inertille kaasulle (kuten argonille), jonka lämpötila on korkea (tyypillisesti 1000–1200 astetta) ja korkea paine (100–200 MPa). Tämä saa materiaalin muuttamaan muotoaan, sulkemaan huokoset ja mikrohalkeamat ja saavuttamaan lähes 100 % tiheyden.
Käyttötapaus:
Turbiinien siivet ja polttokammiot ovat kaksi tärkeää lentokoneen osaa, joiden on kestettävä erittäin korkeita lämpötiloja ja rasituksia. HIP-käsittely voi korjata kerrosten välisen liimauksen ongelmia ja pidentää väsymisikää 3-5 kertaa.
HIP-hoitoa käytetään lääketieteellisissä implanteissa, mukaan lukien asetabulaariset kupit ja selkärangan fuusiolaitteet, jotta voidaan varmistaa, että materiaalit ovat huokosettomia-, vähentävät metalli-ionien vapautumisen vaaraa ja täyttävät FDA:n tiukat bioyhteensopivuusstandardit.
HIP voi korjata ongelmat, jotka aiheutuvat ylijäämästä sisäisestä tuesta monimutkaisissa rakenneosissa, mukaan lukien moottorin suuttimet jäähdytyskanavilla varmistaakseen niiden hyvän toiminnan.
Esimerkiksi Siemens Energy käyttää HIP-käsittelyä kaasuturbiinien siipien valmistuksessa. Tämä alentaa painettujen osien huokoisuutta 0,5 %:sta 0,01 %:iin, parantaa korkean lämpötilan-virumista 40 % ja antaa terien käyttöiän yli 100 000 tuntia.
4. Karkaisu ja karkaisu: oikean tasapainon löytäminen kovuuden ja sitkeyden välillä
Prosessin periaate:
Karkaisu: Kuumenna kappaleet lämpötilaan, jossa ne muuttuvat austeniitiksi, ja jäähdytetään sitten nopeasti (esimerkiksi öljyllä tai vedellä), jolloin muodostuu erittäin kova martensiittinen rakenne.
Karkaisu: Martensiitin hajottamiseksi, karkaisujännityksen poistamiseksi ja materiaalin sitkeyttämiseksi pitämällä sitä alemmassa lämpötilassa (150–650 astetta).
Missä sitä voidaan käyttää:
Työkaluteräs: Esimerkiksi H13 kuumatyömuottiteräs karkaistaan ​​1050 asteessa ja karkaistu 580 asteessa painatuksen jälkeen. Sen kovuus on 52 HRC ja lämpöväsymiskyky on 50 % parempi, mikä tekee siitä hyvän painevalumuottien-.
Karkaisu (1050 astetta) ja matala-lämpötilakarkaisu (200 astetta) tekevät ruostumattomasta teräksestä, kuten 316L, vahvemman ja kestävämmän korroosiota vastaan. Tämä tekee siitä hyvän valinnan kemiallisiin laitteisiin.
Kiinteän liuoksen ja ikääntymisen jälkeen martensiittisen vanhenemisen teräs, kuten 18Ni300, voi saavuttaa lujuuden jopa 2000 MPa. Sitä käytetään erittäin -tarkkuusmuoteissa tai ilmailu- ja avaruusrakenteiden osissa.
Boeing käyttää karkaisuprosessia 3D-tulostettujen titaaniseoksisten laskutelineiden osien valmistamiseen. Tämä tekee niistä sitkeämpiä iskuja vastaan ​​(35 J/cm²) säilyttäen samalla lujuutensa korkealla, mitä FAA vaatii lentokelpoisuustodistuksessa.
5. Syklinen lämpökäsittely: superseosten mikrorakenteen parantaminen
Prosessin periaate: Materiaalin mikrorakennetta ohjataan useiden lämmitys- ja jäähdytysjaksojen läpi. Tämä sisältää raekoon hienostamisen ja koostumuksen jakautumisen tasaisemman, mikä on hyvä nikkeli-pohjaisille superseoksille, joita on vaikea työstää.
Milloin käyttää:
CMSX-4-yksikideseos: Tulostuksen jälkeen se käy läpi monivaiheisen lämpökäsittelyn (1280 astetta 2 tuntia, 1120 astetta 4 tuntia ja 870 astetta 24 tuntia) dendriitin erottumisen poistamiseksi ja sen parantamiseksi korkeissa lämpötiloissa.
Syklinen lämpökäsittely voi parantaa karbidien jakautumista ja tehdä koboltti-pohjaisista seoksista, kuten Stellitestä, 6 20 % kestävämpiä kulumista vastaan, mikä tekee niistä hyviä venttiilien tiivistepinnoille.
Tyypillisessä skenaariossa Rolls Royce käytti syklistä lämpökäsittelyä RB3025-lentokoneen moottorin turbiinilevyjen valmistukseen. Tämä pidensi painettujen osien alhaisen syklin väsymisikää 5000 jaksosta 20000 jaksoon, mikä auttoi uuden sukupolven moottoreiden luomista.
6. Alan trendit ja ongelmat
Älykäs ohjaus: AI-algoritmit muuttavat lämpökäsittelyasetuksia lennossa pitämällä lämpötila- ja stressitietoja silmällä reaaliajassa. Näin voit säädellä "yksi uuni, yksi käytäntö" tarkasti.
Yhdistelmäprosessi: Yhdistämällä lämpökäsittelyn HIP:iin, pintapinnoitukseen ja muihin prosesseihin, meillä on integroitu ratkaisu nimeltä "tulostuslämpökäsittelypinnoite", joka toimii paremmin ja nopeammin.
Materiaalien mukautuvuus: Jotta 3D-tulostus olisi hyödyllisempää, uusia metallimateriaaleja, kuten korkean entropian seoksia ja amorfisia seoksia, on lämpökäsiteltävä innovatiivisilla tavoilla.
Vaikea
Kustannukset: HIP-teknologian suuret investointi- ja käyttökustannukset vaikeuttavat pienten ja keskisuurten{0}}yritysten varaamista.
Muodonmuutosten hallinta: Lämpökäsittelyn aikana monimutkaiset rakenneosat voivat vääntyä, joten tukisuunnittelua on parannettava simuloinnilla.
Vakiopuute: Toimialalla ei ole yhtä sääntöä lämpökäsittelyprosesseille, ja tarvitaan kattava ketjustandardijärjestelmä materiaaleista osiin.