Jaká je role tepelného zpracování odlehčení pnutí v kovovém 3D tisku?

1. Způsob vzniku a nebezpečí zbytkového napětí
Fyzikální podstata akumulace tepelného stresu
Laserové nebo elektronové paprsky vytvářejí velmi vysoké teploty (přes 2000 stupňů) na malých místech během procesu kovového 3D tisku. To roztaví kovový prášek a vytvoří kaluž roztaveného kovu. Při posunutí laserového paprsku se roztavená lázeň rychle ochladí a vytvrdne, což způsobí změnu teploty v blízkých místech. Tato nerovnoměrná tepelná roztažnost a smršťování vytváří komplikované pole napětí uvnitř součásti. Při tisku leteckých držáků z titanové slitiny nemá zavěšená konstrukce žádnou podporu a místní napětí se může blížit 80 % meze kluzu materiálu, což je mnohem více, než je mez únosnosti materiálu.
Běžné problémy, které stres způsobuje
Pokud se zbytkové napětí rychle neuvolní, způsobí to tři hlavní problémy:
Geometrická nestabilita: Když je napětí příliš velké na to, aby se materiál spojil s podkladem, díl se ohne a změní tvar. Případová studie čepele leteckého motoru zjistila, že čepel, která nebyla ošetřena, se po tisku ohnula o 3,2 mm, což je mnohem více než tolerance 0,1 mm potřebná pro montáž.
Iniciace trhlin: Místo, kde se vytváří napětí, je pravděpodobně místem, kde začínají trhliny. Při tisku turbínových disků z niklových-vysokoteplotních{2}}slitin mají neošetřené díly výskyt trhlin 42 %, ale po tepelném zpracování klesne na méně než 2 %.
Snížení výkonu: Zbytkové napětí může zkrátit životnost materiálů. Experimenty prokázaly, že neošetřený stav součástí z nerezové oceli 316L má za následek 60% snížení únavové životnosti při vysokém cyklu ve srovnání se stavem po-tepelném zpracování.
2. Technická teorie a postup provádění tepelného zpracování odlehčení pnutí
Fyzický způsob, jak uvolnit napětí
Tepelné zpracování pro odlehčení pnutí znamená zahřátí součásti na určitý teplotní rozsah (typicky 0,4 až 0,6 násobek bodu tání), aby byl materiál velmi poddajný. Při této teplotě se zlepšuje schopnost atomů pohybovat se a drobné nedostatky, jako jsou dislokace a díry, jsou reorganizovány, což pomalu uvolňuje vnitřní napětí drobnou plastickou deformací. Vezmeme-li jako příklad slitinu na bázi niklu Inconel 718, po 4 hodinách izolace při 620 stupních lze její zbytkové napětí snížit z 380 MPa na méně než 50 MPa.
Přesná kontrola procesních parametrů
Hlavními věcmi, které ovlivňují tepelné zpracování odlehčení pnutí, jsou rychlost ohřevu, teplota izolace, čas potřebný k izolaci a způsob ochlazování:
Rychlost ohřevu: Neměli byste zahřívat příliš rychle, protože by to mohlo způsobit další stres. Rychlost ohřevu dílů z hliníkové slitiny by měla být nižší nebo rovna 10 stupňům/min.
Teplota izolace: Obvykle je navržena tak, aby byla nižší než teplota, při které se tvoří krystaly. Normální teplotní rozsah pro tepelné zpracování titanové slitiny Ti6Al4V je 593 až 649 stupňů Celsia. To je nejlepší způsob, jak zmírnit napětí a zlepšit strukturu zrna.
Jak chladit: Použijte chlazení pece nebo chlazení s řízenou rychlostí, abyste se vyhnuli dodatečnému stresu, který pochází z příliš rychlého chlazení. Příklad lékařského implantátu ukazuje, že technika chlazení jeviště (600 stupňů → 400 stupňů → pokojová teplota) může regulovat deformaci součástí v rozmezí 0,05 mm.
Výhody vakuového prostředí
Vakuové tepelné zpracování se stalo nejlepší volbou pro špičkovou{0}}výrobu, protože se zbavuje rizika oxidace a kontaminace. Testy společnosti TAV Vacuum Furnace Company odhalily, že součásti z nerezové oceli 316L, které jsou tepelně -zpracovány ve vakuu, mají o 40 % hladší povrch a o 25 % lepší odolnost vůči korozi než součásti tepelně-zpracované na vzduchu. Vakuová atmosféra může také zastavit problémy, jako je vodíková křehkost, díky čemuž je ideální pro letecký průmysl, kde je čistota materiálu velmi důležitá.
3. Užitečnost tepelného ošetření odlehčení stresu v reálném světě a v podnikání
Záruka výkonu v leteckém průmyslu
Tepelné zpracování odlehčení pnutí je důležitým krokem při výrobě lopatek leteckých motorů, protože zajišťuje spolehlivost dílů. Společnost GE Aviation vylepšila techniku ​​tepelného zpracování tak, že snižuje zbytkové pnutí v čepelích ze slitiny monokrystalického niklu-o 75 % a zajišťuje jim třikrát delší životnost. Nízkocyklová únavová životnost kotouče turbíny u určitého typu turbodmychadlového motoru se zvýšila z 500 cyklů na 2000 cyklů po tepelném zpracování. To splňuje potřeby-designu s dlouhou životností.
Zlepšení biokompatibility lékařských implantátů
Ortopedické implantáty vyrobené z titanové slitiny musí být velmi pevné a zároveň velmi flexibilní. Tepelné ošetření uvolňující stres může snížit modul pružnosti implantátů a zbavit se stresu při zpracování, což může pomoci snížit „účinek stínění stresu“. Experimentální důkazy naznačují, že modul implantátů Ti6Al4V po tepelném zpracování se zmenšuje ze 110 GPa na 85 GPa, čímž se více přibližuje lidské kostní tkáni (10-30 GPa) a podstatně zlepšuje integraci kosti.
Výroba forem s precizní kontrolou
Při 3D tisku formy na ocel může tepelné zpracování odlehčení pnutí zastavit tepelnou deformaci během procesu tisku a zajistit, aby dutina formy měla správnou velikost. Určitý případ automobilové formy ukazuje, že po tepelném zpracování se rozměrová tolerance dutiny formy pohybuje od ± 0,1 mm do ± 0,02 mm, což je to, co je potřeba pro přesné vstřikování. Tepelným zpracováním lze zároveň formu učinit odolnější vůči opotřebení, což může zdvojnásobit nebo ztrojnásobit její životnost.