Jaké jsou výhody zpracování HIP v post{0}}zpracování kovového 3D tisku?

1. Zbavení se vnitřních nedostatků: přechod od „pórovitosti“ k „nulovým vadám“
Nerovnovážné tuhnutí způsobené rychlým ochlazením může během kovového 3D tisku vytvořit drobné dírky. Na druhé straně rozebrání nosných struktur nebo ne zcela roztavený prášek může způsobit makroskopické smrštění. Tyto vady mohou způsobit vznik trhlin, což značně zkracuje únavovou životnost dílů. Technologie HIP opravuje vady pomocí následujících metod:
Uzavírání pórů a spojování kovů
Když jsou kovové materiály zahřáté na vysokou teplotu (typicky 0,5 až 0,8 násobek bodu tání materiálu) a vystaveny velkému tlaku (100 až 200 MPa), stanou se velmi ohebnými. Tlak plynu způsobuje, že kov kolem pórů mění tvar, dochází ke vzájemnému kontaktu a vytváření metalurgických vazeb. Tím se objem pórů zmenšuje, dokud nezmizí. Například po úpravě HIP se pórovitost vysokoteplotní slitiny IN718 vyrobené pomocí techniky SLM změnila z 0,8 % na 0,02 %, díky čemuž dosáhla hustoty 99,99 %, což je to, co letecký průmysl potřebuje, aby zajistil spolehlivost materiálů.
Hojení mikrotrhlin
Tepelné namáhání při 3D tisku kovů může způsobit vznik mikrotrhlin. Vysokoteplotní žíhání při ošetření HIP zbavuje zbytkového napětí a vysokotlaké prostředí způsobuje plastické ohnutí hrotu lomu, čímž se uzavře trhlina a vytvoří se stabilní struktura hranice zrn. Experimentální data naznačují, že ošetření HIP může snížit hustotu trhlin nerezové oceli 316L o 90 % a zvýšit lomovou houževnatost o 30 %.
Zjemnění zrn a vytvoření jednotnější mikrostruktury
Vysokoteplotní{0}}proces HIP je stejný jako ošetření žíháním, které dokáže zbavit podchlazenou strukturu nebo metastabilní fázi, která vzniká, když SLM rychle chladne. Po úpravě HIP se například hrubé sloupcovité krystaly slitiny Ti6Al4V mění na jemné rovnoosé krystaly a velikost zrna se pohybuje od 50 μm do 10 μm. Díky tomu je materiál mnohem pružnější a odolnější proti únavě.
2. Zlepšení mechanického výkonu: nalezení správné rovnováhy mezi pevností a houževnatostí
Zpracování HIP má dva vlivy na mechanické vlastnosti kovových 3D tištěných dílů:
Síla a plasticita jdou lépe dohromady.
Pevnost materiálu se může po ošetření HIP trochu snížit (typicky o 5 % až 15 %), ale jeho ukazatele plasticity, jako je tažnost, jdou hodně nahoru. Například po ošetření HIP se pevnost v tahu hliníkové slitiny AlSi10Mg vyrobené technikou SLM snížila ze 420 MPa na 380 MPa, ale prodloužení vzrostlo z 8 % na 15 %, což je dobré pro lehké konstrukční díly v autech.
Významné zlepšení odolnosti proti únavě
Hlavním důvodem růstu únavových trhlin jsou vnitřní trhliny. Tím, že se úprava HIP zbaví pórů a mikrotrhlin, výrazně zvyšuje únavovou životnost dílů. Například životnost slitiny IN718 ošetřené HIP při 650 stupních a 690 MPa při vysoké teplotě se zvýšila z 50 hodin bez úpravy na 173 hodin. To splňuje požadavky na životnost leteckých motorů GE pro základní díly.
Anizotropní odstranění
Kvalita spojování mezi vrstvami kovového 3D tisku může způsobit, že mechanické vlastnosti se budou lišit v různých směrech. Materiál pracuje stejně ve všech směrech, když je ošetřen HIP, který využívá 360 stupňů rovnoměrného tlaku. Například rozdíl v koeficientech radiálního a axiálního tření mezi keramickými kuličkami z nitridu křemíku ošetřenými HIP je menší než 5 %, což je mnohem lepší než standardní metody slinování.
3. Rozšíření rozsahu aplikací: Přechod z „Dostupný“ na „Spolehlivý“
HIP zpracování pomáhá s technickou stránkou využití technologie kovového 3D tisku v širokém měřítku v oborech, kde je velká poptávka.
Letecký sektor
Lopatky turbíny, spalovací komory a další části leteckého motoru musí být schopny pracovat v situacích s vysokými teplotami, vysokými tlaky a vysokým namáháním. Úprava HIP se může zbavit trhlin způsobených tepelným pnutím, ke kterým dochází, když proces SLM příliš rychle vychladne, a také může zlepšit materiály při tečení při vysokých-teplotách. Rolls Royce například používá HIP-niklové-vysokoteplotní{5}}litiny turbínové disky, které zvyšují provozní teplotu z 1200 na 1400 stupňů Celsia a poměr tahu-k-hmotnosti o 20 %.
Obor lékařských implantátů
Ortopedické implantáty musí být pevné a bezpečné pro tělo. Ošetření HIP může odstranit segregaci fáze alfa ve slitině Ti6Al4V, snížit možnost úniku kovových iontů a prodloužit životnost materiálu při namáhání. Klinické důkazy naznačují, že míra selhání kyčelních implantátů podrobených HIP se po deseti letech snížila ze 3 % na 0,5 %.
Energetika a lodní průmysl
Součásti, jako jsou tlakové nádoby jaderných reaktorů a hlubinné-kryty senzorů, musí být schopny zvládnout velmi drsné podmínky. Zirkoniová keramika ošetřená HIP-zvládne vysoký tlak 110 MPa v hlubokém moři a palivový článek potažený karbidem křemíku- může zůstat stabilní při vysokých teplotách 1200 stupňů. Tyto materiály jsou velmi důležité pro čtvrtou generaci technologie jaderné energetiky.