Kan varmebehandling forbedre utmattelsesytelsen til 3D-printede metalldeler?

一, Hovedproblemet med tretthetsytelse er at 3D-printede deler har feil fra fødselen.
Problemene med metall 3D-utskrifts tretthetsytelse kommer fra hvordan den er laget. Ved å bruke titanlegering (Ti-6Al-4V) som et eksempel, smelter pulverbedsmeltingsmetoden (PBF) raskt metallpulveret og stivner det deretter. Dette forårsaker følgende problemer:
Mikrostrukturheterogenitet: Hovedkornene har en grov søylestruktur, med mer fase nær kantene på kornene, noe som gjør det lettere for utmattelsessprekker å starte.
Hull og hull: Hvis pulveret ikke smelter helt eller gassen løses opp, kan den indre porøsiteten være så høy som 0,5 % til 2 %, noe som reduserer utmattelsesgrensen betraktelig.
Restspenning: Strekkspenningen som kommer av rask avkjøling kan være 50 % til 70 % av materialets flytegrense, noe som fremskynder veksten av sprekker.
Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences, fant at strekkspenningsutmattingsstyrken til typisk 3D-utskrifts titanlegering bare er 475 MPa, som er langt lavere enn 900 MPa den skal være når den er smidd. Dette er hovedsakelig på grunn av porer og en grov tekstur som forårsaker sprekker.
2, Veien til varmebehandlingsteknologi går fra å bli kvitt defekter til å gjøre organisasjonen bedre.
Ved å styre temperatur, varighet og kjølehastighet, oppfyller varmebehandling tre hovedmål:
1. Bli kvitt feil inne: Teknologien for varm isostatisk pressing (HIP)
HIP-prosessen bruker en inert gass, som argon, for å flytte trykk ved svært høye temperaturer (900–1250 grader) og svært høye trykk (100–200 MPa). Dette gjør at materialet endrer form og tetter opp eventuelle hull inne i det. For eksempel:
I romfart brukte GE Aviation SLM til å skrive ut Inconel 718 turbinblader og deretter HIP for å behandle dem. Dette kuttet porøsiteten fra 0,8 % til 0,02 % og tredoblet utmattelsestiden.
Forbedring av titanlegeringer: En virksomhet i Chongqing brukte HIP-behandling for å 3D-printe Ti-6Al-4V. Dette hevet utmattelsesgrensen fra 550 MPa til 900 MPa, som er det samme som den smidde tilstanden, og gjorde materialet mye mindre anisotropt.
2. Retningsbestemt rekrystalliseringsteknologi brukes for å gjøre kornstørrelsen mer jevn og mikrostrukturen mer jevn.
MITs retningsbestemte rekrystalliseringsprosedyre kontrollerer temperaturgradienten (for eksempel tegning ved 2,5 mm/t ved 1235 grader) for å lage søyleformede krystallstrukturer ved å få kornene til å vokse i en bestemt retning. Denne teknologien:
For å stoppe krypning må du stille søylekrystaller på linje med den høyeste spenningsaksen, stoppe korngrenseglidningen ved høye temperaturer og doble krypetiden til nikkel-baserte legeringer med høy-temperatur.
Forbedring av tretthetsmotstand: Ved bruk av gassturbinblader øker det å kvitte seg med grove korn- og dislokasjonsfeil motstanden mot starten av tretthetssprekker med 60 %.
3. Kontroll av faseendringer: fast løsning med aldringsbehandling
For materialer som aluminiumslegeringer bryter løsningsbehandling (som å holde på 540 grader i 2 timer) ned forsterkningsfasen. Deretter vil aldringsbehandling (som å holde på 155 grader i 8 timer) danne nanoskalautfellinger (som θ 'fase).
Balanse mellom styrke og seighet: Etter T6 varmebehandling gikk flytegrensen til F357 aluminiumslegering opp fra 280 MPa til 380 MPa, men forlengelsen forble den samme på 12 %.
Quintus Technologies' URQ-HIP-prosess kombinerer solid løsning og-høytrykksbehandling for å forhindre at porene åpner seg igjen, noe som gir F357 aluminiumslegering en utmattingslevetid som er lengre enn MMPDS standard støpegods.
3, Ingeniørpraksis: Overgang fra laboratorium til industrialisering
1. Luftfartsfeltet
Siemens bruker SLM for å skrive ut nikkel-baserte legeringsblader med høy-temperatur. Disse bladene blir deretter behandlet med HIP og rettet rekrystallisering for å legge til kompliserte kjølekanaler, noe som gjør turbinen 5 % mer effektiv og bruker 3 % mindre drivstoff.
Lette strukturelle deler: Boeing 787 har 3D--trykte titanlegeringsbraketter som varmes opp to ganger (HIP+aldring) for å gjøre dem 40 % sterkere og 30 % lettere.
2. Medisinsk utstyrsindustri
Johnson&Johnson Medical vakuumglødde 3D-printede hofteledd for å kvitte seg med overflatestress. De brukte deretter kjemisk polering for å gjøre overflaten jevnere til Ra0,8 μm og gi implantatene en utmattelseslevetid på mer enn 20 år.
Anti-tretthetsdesign: Det kinesiske vitenskapsakademiets NAMP-teknikk (defekt og vev trinn-for-trinnregulering) har hevet strekkfastheten til Ti-6Al-4V-implantatet fra 475 MPa til 978 MPa, det høyeste nivået i verden.
3. Temaet energiutstyr
Gassturbinreparasjon: MIT-teamet fikset et 3D-trykt nikkel-basert forbrenningskammer i legering ved å bruke rettet rekrystalliseringsbehandling. Denne behandlingen gjorde at kammeret kunne håndtere 200 MPa stress ved en høy temperatur på 650 grader og kuttet krypehastigheten med 80 %.
Kjernekraftdeler: EDF-gruppen i Frankrike bruker HIP-behandling for å 3D-printe rørskjøter i rustfritt stål. Dette kvitter seg med indre feil og gjør skjøtene mer motstandsdyktige mot korrosjon gjennom løsningsbehandling for å oppfylle atomsikkerhetsforskriften.