Hvilken rolle spiller stressaflastende varmebehandling i metal 3D-print?

1. Dannelsesmetoden og farer for restspænding
Den fysiske karakter af termisk stressakkumulering
Laser- eller elektronstråler skaber meget høje temperaturer (over 2000 grader) på små steder under metal-3D-printprocessen. Dette smelter metalpulveret og laver en pulje af smeltet metal. Når laserstrålen flyttes væk, afkøles og hærder smeltebadet hurtigt, hvilket får temperaturen til at ændre sig på nærliggende steder. Denne ujævne termiske udvidelse og sammentrækning skaber et kompliceret spændingsfelt inde i delen. Ved udskrivning af flybeslag i titaniumlegering har den ophængte struktur ingen støtte, og lokal spænding kan nærme sig 80 % af materialets flydespænding, hvilket er langt højere end materialets bæregrænse.
Almindelige problemer, som stress forårsager
Hvis resterende spænding ikke slippes hurtigt, vil det give tre hovedproblemer:
Geometrisk ustabilitet: Når spændingen er for stor til, at materialet kan binde sig til underlaget, vil delen bøjes og ændre form. Et casestudie af et flymotorblad viste, at det blad, der ikke blev behandlet, bøjede 3,2 mm efter udskrivning, hvilket er langt mere end den tolerance på 0,1 mm, der kræves til samling.
Revneinitiering: Det sted, hvor spændingen opbygges, er sandsynligvis det sted, hvor revner starter. Ved udskrivning af nikkel-baserede høj-temperaturlegerede turbineskiver har ubehandlede dele en revneforekomst på 42 %, men efter varmebehandling falder den til mindre end 2 %.
Ydeevneforringelse: Restspænding kan forkorte materialernes levetid. Eksperimenter har vist, at den ubehandlede tilstand af 316L rustfri stålkomponenter resulterer i en 60 % reduktion i høj cyklus træthedslevetid sammenlignet med efter-varmebehandlingstilstanden.
2. Den tekniske teori og proces til at udføre stressaflastende varmebehandling
Den fysiske måde at give slip på spændinger
Afspændingsvarmebehandling betyder opvarmning af delen til et bestemt temperaturområde (typisk 0,4 til 0,6 gange smeltepunktet) for at gøre materialet meget bøjeligt. Ved denne temperatur forbedres atomernes kapacitet til at bevæge sig rundt, og bittesmå defekter som forskydninger og huller omorganiseres, hvilket langsomt frigiver intern stress ved lille plastisk deformation. Tager man den nikkel-baserede legering Inconel 718 som et eksempel, kan dens restspænding efter 4 timers isolering ved 620 grader sænkes fra 380 MPa til mindre end 50 MPa.
Nøjagtig kontrol af procesparametre
De vigtigste ting, der påvirker stressaflastende varmebehandling, er opvarmningshastigheden, isoleringens temperatur, den tid, det tager at isolere, og den måde, den afkøles på:
Opvarmningshastighed: Du bør ikke varme op for hurtigt, da det kan skabe yderligere stress. Opvarmningshastigheden for dele af aluminiumslegering skal holdes på mindre end eller lig med 10 grader/min.
Isoleringstemperatur: Normalt designet til at være lavere end den temperatur, hvor krystaller dannes. Det normale temperaturområde for varmebehandling af titanlegering Ti6Al4V er 593 til 649 grader Celsius. Dette er den bedste måde at lindre spændinger og forbedre kornstrukturen.
Sådan afkøles: Brug ovnkøling eller kontrolleret hastighedskøling for at undgå ekstra stress, der kommer fra afkøling for hurtigt. Et medicinsk implantatforekomst viser, at en trinafkølingsteknik (600 grader → 400 grader → stuetemperatur) kan regulere deformationen af ​​komponenter inden for 0,05 mm.
Fordele ved et vakuummiljø
Vakuumvarmebehandling er blevet det bedste valg til avanceret-fremstilling, da den fjerner risikoen for oxidation og kontaminering. TAV Vacuum Furnace Companys test har afsløret, at 316L rustfri stålkomponenter, der er varme-behandlet i et vakuum, har en 40 % glattere overflade og en 25 % bedre modstandsdygtighed over for korrosion end dele, der er varme-behandlet i luft. Desuden kan en vakuumatmosfære stoppe problemer som brintskørhed, hvilket gør den perfekt til flyindustrien, hvor materialets renhed er meget vigtig.
3. Nytten af ​​stresslindrende varmebehandling i den virkelige verden og i erhvervslivet
Garanti for ydeevne i rumfartsindustrien
Stressaflastende varmebehandling er et vigtigt skridt i fremstillingen af ​​flymotorblade, da det sikrer, at delene er pålidelige. GE Aviation har forbedret varmebehandlingsteknikken, så den reducerer restspænding i enkeltkrystal-nikkel-baserede legeringsvinger med 75 % og får dem til at holde tre gange længere. Den lave cyklus træthedslevetid for turbineskiven i en bestemt type turbofanmotor er gået fra 500 cyklusser til 2000 cyklusser efter varmebehandling. Dette opfylder behovene for et design med-lang levetid.
Forbedring af biokompatibiliteten af ​​medicinske implantater
Ortopædiske implantater lavet af titanlegering skal være både meget stærke og meget fleksible. Stressaflastende varmebehandling kan sænke implantatets elasticitetsmodul og slippe af med bearbejdningsstress, hvilket kan hjælpe med at mindske den "stressafskærmende effekt". Eksperimentelle beviser tyder på, at modulet af Ti6Al4V-implantater efter-varmebehandling falder fra 110 GPa til 85 GPa, hvilket er tættere på linje med humant knoglevæv (10-30 GPa) og væsentligt forbedrer knogleintegration.
Formfremstilling med præcis kontrol
Ved 3D-printning af formstål kan spændingsaflastende varmebehandling forhindre termisk deformation i at ske under udskrivningsprocessen og sikre, at formhulrummet har den rigtige størrelse. En bestemt bilstøbekasse indikerer, at efter varmebehandling går formhulrummets dimensionelle tolerance fra ± 0,1 mm til ± 0,02 mm, hvilket er det, der er nødvendigt for præcisionssprøjtestøbning. Samtidig kan varmebehandling gøre formen mere modstandsdygtig over for slid, hvilket kan fordoble eller tredoble dens levetid.