Hva er rollen til stressavlastende varmebehandling i 3D-utskrift av metall?

1. Formasjonsmetoden og farer for gjenværende stress
Den fysiske naturen til termisk stressakkumulering
Laser- eller elektronstråler skaper svært høye temperaturer (over 2000 grader) på små steder under 3D-utskriftsprosessen av metall. Dette smelter metallpulveret og lager en pool av smeltet metall. Når laserstrålen flyttes bort, avkjøles og stivner smeltebassenget raskt, noe som gjør at temperaturen endrer seg på nærliggende steder. Denne ujevne termiske ekspansjonen og sammentrekningen skaper et komplisert spenningsfelt inne i delen. Ved utskrift av luftfartsbraketter av titanlegering har den suspenderte strukturen ingen støtte, og lokal belastning kan nærme seg 80 % av materialets flytestyrke, som er langt høyere enn materialets bæregrense.
Vanlige problemer som stress forårsaker
Hvis gjenværende spenning ikke slippes raskt, vil det gi tre hovedproblemer:
Geometrisk ustabilitet: Når spenningen er for stor til at materialet kan binde seg til underlaget, vil delen bøye seg og endre form. En kasusstudie av et flymotorblad fant at bladet som ikke ble behandlet bøyde seg 3,2 mm etter utskrift, noe som er langt mer enn toleransen på 0,1 mm som trengs for montering.
Sprekkeinitiering: Stedet der spenningen bygges opp er sannsynligvis der sprekker starter. Ved utskrift av nikkel-baserte høy-temperaturlegerte turbinskiver har ubehandlede deler en sprekkforekomst på 42 %, men etter varmebehandling faller den til mindre enn 2 %.
Ytelsesdegradering: Restspenning kan forkorte levetiden til materialer. Eksperimenter har vist at den ubehandlede tilstanden til 316L rustfrie stålkomponenter resulterer i en 60 % reduksjon i høysyklustretthetslevetid sammenlignet med etter-varmebehandlingstilstanden.
2. Den tekniske teorien og prosessen for å utføre stressavlastende varmebehandling
Den fysiske måten å gi slipp på spenninger
Stressavlastende varmebehandling betyr å varme opp delen til et visst temperaturområde (typisk 0,4 til 0,6 ganger smeltepunktet) for å gjøre materialet svært smidig. Ved denne temperaturen blir atomenes kapasitet til å bevege seg forbedret, og små feil som forskyvninger og hull omorganiseres, noe som sakte frigjør indre stress ved bittesmå plastisk deformasjon. Med den nikkel-baserte legeringen Inconel 718 som et eksempel, etter 4 timers isolasjon ved 620 grader, kan restspenningen reduseres fra 380 MPa til mindre enn 50 MPa.
Nøyaktig kontroll av prosessparametere
De viktigste tingene som påvirker stressavlastende varmebehandling er oppvarmingshastigheten, temperaturen på isolasjonen, tiden det tar å isolere, og måten den avkjøles på:
Oppvarmingshastighet: Du bør ikke varme opp for raskt, siden dette kan skape ytterligere stress. Oppvarmingshastigheten for deler av aluminiumslegering bør holdes på mindre enn eller lik 10 grader/min.
Isolasjonstemperatur: Vanligvis utformet for å være lavere enn temperaturen der krystaller dannes. Det normale temperaturområdet for varmebehandling av titanlegering Ti6Al4V er 593 til 649 grader Celsius. Dette er den beste måten å lindre spenninger og forbedre kornstrukturen.
Slik avkjøler du: Bruk ovnskjøling eller kontrollert hastighetskjøling for å unngå ekstra stress som kommer av for fort avkjøling. En medisinsk implantatforekomst viser at en trinnavkjølingsteknikk (600 grader → 400 grader → romtemperatur) kan regulere deformasjonen av komponenter innenfor 0,05 mm.
Fordeler med et vakuummiljø
Vakuumvarmebehandling har blitt det beste valget for høy-produksjon siden den eliminerer risikoen for oksidasjon og forurensning. TAV Vacuum Furnace Company sine tester har avdekket at 316L rustfrie stålkomponenter som er varme-behandlet i vakuum har en 40 % jevnere overflate og 25 % bedre motstand mot korrosjon enn deler som er varme-behandlet i luft. En vakuumatmosfære kan også stoppe problemer som hydrogensprøhet, noe som gjør den perfekt for flyindustrien, der materialets renhet er veldig viktig.
3. Nytten av stressavlastende varmebehandling i den virkelige verden og i næringslivet
Garanti for ytelse i romfartsindustrien
Stressavlastende varmebehandling er et viktig skritt i å lage flymotorblader siden det sørger for at delene er pålitelige. GE Aviation har forbedret varmebehandlingsteknikken slik at den reduserer restspenningen i enkeltkrystall-nikkel-baserte legeringsblader med 75 % og gjør at de varer tre ganger lenger. Levetiden for lavsyklustretthet til turbinskiven i en bestemt type turbofanmotor har gått fra 500 sykluser til 2000 sykluser etter varmebehandling. Dette oppfyller behovene til en design med lang-levetid.
Forbedring av biokompatibiliteten til medisinske implantater
Ortopediske implantater laget av titanlegering må være både veldig sterke og veldig fleksible. Stressavlastende varmebehandling kan senke elastisitetsmodulen til implantater og bli kvitt prosesseringsstress, noe som kan bidra til å redusere "stressskjermingseffekten." Eksperimentelle bevis tyder på at modulen til Ti6Al4V-implantater etter-varmebehandling reduseres fra 110 GPa til 85 GPa, og tilpasser seg tettere med menneskelig benvev (10-30 GPa) og forbedrer beinintegrasjonen betydelig.
Muggproduksjon med presis kontroll
Ved 3D-utskrift av formstål, kan spenningsavlastende varmebehandling stoppe termisk deformasjon fra å skje under utskriftsprosessen og sørge for at formhulen har riktig størrelse. Et visst bilstøpehus indikerer at etter varmebehandling går formhulrommets dimensjonale toleranse fra ± 0,1 mm til ± 0,02 mm, som er det som er nødvendig for presisjonssprøytestøping. Samtidig kan varmebehandling gjøre formen mer motstandsdyktig mot slitasje, noe som kan doble eller tredoble levetiden.