Způsobí tepelné zpracování kovu 3D tiskem deformaci?

一, Technická podstata tepelného zpracování: Organizační regulace a optimalizace výkonu
Zahřívání, izolace a chlazení kovových materiálů během tepelného zpracování modifikuje jejich mikrostrukturu, což zlepšuje jejich mechanické vlastnosti. Při 3D tisku kovů jsou hlavními cíli tepelného zpracování:
Zbavení se zbytkového napětí: Při tisku materiál prochází rychlými cykly zahřívání a ochlazování, což způsobuje ohýbání vnitřní mřížky a vytváří zbytkové napětí. Pro uvolnění napětí se součást zahřeje pod teplotu rekrystalizace materiálu (například udržováním titanové slitiny na 800 stupních po dobu 2 hodin). Tím se mřížka uvolní a sníží se nebezpečí deformace při pozdějším zpracování nebo použití.
Zlepšení struktury zrna: Ošetření tuhým roztokem (jako hliníková slitina 7075 při 470 stupních) může narušit zpevňující fáze, zatímco ošetření stárnutím (jako 120 stupňů po dobu 24 hodin) může způsobit tvorbu precipitačních fází nanometrů, což má za následek kombinované zvýšení pevnosti a houževnatosti. Tento proces činí zrna menší a méně pravděpodobné, že změní objem, když se fáze změní, což snižuje náchylnost k deformaci.
Řešení vnitřních problémů: Technologie horkého izostatického lisování (HIP) synergicky zvyšuje hustotu materiálů na více než 99,9 % s kombinací 100-150 MPa vysokého tlaku a 1000-1200 stupňů vysoké teploty, uzavírá mikrotrhliny a póry a eliminuje lokální koncentraci napětí způsobenou nerovnoměrným smrštěním.
2, Mechanismus deformace způsobené tepelným zpracováním je kombinovaným působením tepelného namáhání a změn mikrostruktury.
Cílem tepelného zpracování je zbavit se rizika deformace, ale pokud je provedeno špatně, stále může docházet k novým deformacím. Hlavní způsoby, jak se to děje, jsou:
Nárůst tepelného napětí: Když se součást zahřeje a ochladí, teplotní rozdíl mezi vnějškem a vnitřkem součásti způsobí, že se součást jinak roztáhne a smrští, což vytváří tepelné napětí. Když se například tenkostěnné-díly rychle ochladí, vnější se smršťuje rychleji než vnitřní. To by mohlo způsobit deformaci nebo zkroucení položky.
Změna objemu organizační transformace: Změny v hustotě materiálu během procesu fázového přechodu způsobují zmenšení nebo nárůst objemu. Například, když dojde k martenzitické transformaci, objem je větší, a pokud uvolnění napětí není hladké, mohlo by to způsobit trhliny.
Jak nosná konstrukce ovlivňuje: Oblast, kde se tisková podpora a substrát spojují, se pravděpodobně během tepelného zpracování stane bodem koncentrace napětí. Pokud konstrukce podpěry není správná, mohla by se při sejmutí podpěry po tepelném zpracování ohnout kvůli uvolnění napětí v jedné oblasti.
3, Strategie kontroly deformace: Zlepšování procesů a vymýšlení nových technologií
Aby bylo možné vyvážit účinky tepelného zpracování a riziko deformace, průmysl navrhl systematický plán řízení, který se zaměřuje na tři oblasti: materiály, procesy a zařízení:
1. Výběr materiálů a jejich příprava
Slitiny na bázi niklu- jako Inconel 718 mají nižší koeficient tepelné roztažnosti (12,5 × 10 ⁻⁶/stupeň) než slitiny titanu (8,6 × 10 ⁻⁶/stupeň). To znamená, že mohou pomoci zabránit hromadění tepelného stresu.
Návrh před deformací: Použijte simulační software jako VoxelDance Engineering k předpovědi, jak tepelné zpracování změní tvar materiálu. Poté použijte zpětnou před{1}}deformaci na původním modelu, aby měl kompenzovaný model po tepelném zpracování správnou velikost. Například po úpravě před-zkreslení se přesnost tisku tenkostěnného-dílu se specifickým zakřiveným povrchem zlepšila o 66,2 % a bylo odstraněno 98,6 % významné deformační plochy.
2. Zlepšení parametrů procesu
Ohřev a chlazení po částech: Použití strategie postupného ohřevu (jako je udržování na 50 stupních po dobu 30 minut) a zpožděného ochlazování (jako ochlazování vzduchem po ochlazení pece na 200 stupňů) ke snížení tepelného namáhání způsobeného změnami teploty. Například po ošetření HIP vydrží lopatky turbín leteckých motorů GE třikrát déle a nemění tvar více než 0,05 % času.
Technologie pro směrovou krystalizaci: Proces směrové krystalizace MIT upravuje rychlost ohřevu (například 2,5 cm/h) a teplotu (1235 stupňů), aby zrna v určitém směru vyrostla do sloupcových útvarů. Díky tomu je materiál odolnější vůči tečení a méně se zdeformuje při vysokých teplotách.
3. Nové nástroje a přípravky
Adaptivní upínací systém: Laboratoř Fraunhofer ILPT v Německu vytvořila flexibilní upínací přípravek, který využívá dusíkové plynové pružiny k zajištění dynamické upínací síly, vyrovnává rozdíly v tepelné roztažnosti během tisku a chrání tenkostěnné struktury o rozměrech 3 m × 2 m- před deformací o více než ± 0,3 mm.
Technologie lokálního tepelného zpracování: Indukční ohřev nebo laserové lokální tepelné zpracování se používá u velkých kusů, aby se zabránilo jejich deformaci, když jsou celé zahřáté. Například určitý držák pro letectví dosáhl pevnosti v tahu 520 MPa a rozměrové stability větší než ± 0,1 mm díky místní úpravě roztoku.
4, Frontier Case: Nové využití pro deformaci tepelného zpracování
Boeing používá v leteckém průmyslu solidní řešení a techniku ​​ošetření stárnutí, aby byly držáky letadel pevnější, s pevností v tahu 520 MPa. Před-deformace zároveň udržuje deformaci v rozmezí ± 0,05 mm, aby byly splněny přísné aerodynamické normy.
Lékařské implantáty: Jistá společnost přišla s novým způsobem výroby acetabulárních kalíšků z titanové slitiny kombinací „žíhání pro odlehčení stresu“ s „leptáním kyselinou“. Tento proces odstraňuje vnitřní pnutí žíháním a následně pomocí kyselého leptání vytváří mikroporézní strukturu o velikosti 5 až 10 μm. To pomáhá kostním buňkám růst bez změny velikosti košíčků.
Energetické vybavení: Siemens Energy vyrábí lopatky plynových turbín pomocí technologie směrové krystalizace HIP+. Díky tomu je materiál 99,95 % hustý a o 40 % odolnější vůči tečení. Může běžet 100 000 hodin beze změny tvaru při teplotě 1200 stupňů.