Czy obróbka cieplna może poprawić wytrzymałość zmęczeniową metalowych części drukowanych w 3D?

一 Głównym problemem związanym z wydajnością zmęczeniową jest to, że części wydrukowane w 3D mają wady od urodzenia.
Problemy z wytrzymałością zmęczeniową druku 3D na metalu wynikają ze sposobu jego wykonania. Na przykładzie stopu tytanu (Ti-6Al-4V) metoda topienia w złożu proszkowym (PBF) szybko topi proszek metalu, a następnie go zestala. Powoduje to następujące problemy:
Niejednorodność mikrostruktury: Główne ziarna mają szorstką strukturę kolumnową, z większą ilością fazy w pobliżu krawędzi ziaren, co ułatwia powstawanie pęknięć zmęczeniowych.
Otwory i szczeliny: Jeśli proszek nie stopi się całkowicie lub gaz się rozpuści, porowatość wewnętrzna może wynosić nawet od 0,5% do 2%, co znacznie obniża granicę zmęczenia.
Naprężenie szczątkowe: Naprężenie rozciągające powstające w wyniku szybkiego chłodzenia może wynosić od 50% do 70% granicy plastyczności materiału, co przyspiesza rozwój pęknięć.
Instytut Metali Chińskiej Akademii Nauk odkrył, że wytrzymałość zmęczeniowa typowego stopu tytanu do druku 3D wynosi tylko 475 MPa, czyli znacznie mniej niż 900 MPa, jakie powinno wynosić po kuciu. Dzieje się tak głównie z powodu porów i szorstkiej tekstury, które powodują pęknięcia.
2. Ścieżka technologii obróbki cieplnej prowadzi od pozbycia się wad do ulepszenia organizacji.
Zarządzając temperaturą, czasem trwania i szybkością chłodzenia, obróbka cieplna spełnia trzy główne cele:
1. Pozbycie się wad wewnętrznych: Technologia prasowania izostatycznego na gorąco (HIP)
W procesie HIP wykorzystuje się gaz obojętny, taki jak argon, do przemieszczania ciśnienia w bardzo wysokich temperaturach (900–1250 stopni) i bardzo wysokich ciśnieniach (100–200 MPa). Powoduje to zmianę kształtu materiału i zamknięcie wszelkich dziur w jego wnętrzu. Na przykład:
W przemyśle lotniczym firma GE Aviation zastosowała technologię SLM do drukowania łopatek turbin z Inconel 718, a następnie technologię HIP do ich obróbki. Zmniejszyło to porowatość z 0,8% do 0,02% i potroiło trwałość zmęczeniową.
Ulepszanie stopów tytanu: firma w Chongqing zastosowała obróbkę HIP do druku 3D Ti-6Al-4V. Podniosło to granicę zmęczenia z 550 MPa do 900 MPa, czyli tyle samo, co w przypadku kucia, i sprawiło, że materiał był znacznie mniej anizotropowy.
2. Technologia rekrystalizacji kierunkowej służy do ujednolicenia wielkości ziaren i ujednolicenia mikrostruktury.
Procedura rekrystalizacji kierunkowej MIT kontroluje gradient temperatury (na przykład rysowanie z szybkością 2,5 mm/h w temperaturze 1235 stopni) w celu wytworzenia kolumnowych struktur krystalicznych poprzez powodowanie wzrostu ziaren w określonym kierunku. Ta technologia:
Aby zatrzymać pełzanie, należy ustawić kryształy kolumnowe w jednej linii z osią najwyższego naprężenia, zatrzymać przesuwanie się granic ziaren w wysokich temperaturach i podwoić trwałość pełzania w przypadku wysokotemperaturowych stopów-na bazie niklu-.
Zwiększenie odporności zmęczeniowej: Przy zastosowaniu łopatek turbin gazowych pozbycie się gruboziarnistych i dyslokacyjnych wad zwiększa odporność na powstawanie pęknięć zmęczeniowych o 60%.
3. Kontrola przemian fazowych: roztwór stały z obróbką starzeniową
W przypadku materiałów takich jak stopy aluminium obróbka roztworowa (np. utrzymywanie w temperaturze 540 stopni przez 2 godziny) przerywa fazę wzmacniania. Następnie obróbka starzenia (taka jak utrzymywanie w temperaturze 155 stopni przez 8 godzin) powoduje powstanie nano osadów (takich jak faza θ).
Równowaga wytrzymałości i wiązkości: Po obróbce cieplnej T6 granica plastyczności stopu aluminium F357 wzrosła z 280 MPa do 380 MPa, ale wydłużenie pozostało takie samo i wynosiło 12%.
Proces URQ-HIP firmy Quintus Technologies łączy roztwory stałe i obróbkę-wysokociśnieniową, aby zapobiec ponownemu otwieraniu się porów, co zapewnia stopowi aluminium F357 trwałość zmęczeniową dłuższą niż standardowe odlewy MMPDS.
3, Praktyka inżynierska: przejście od laboratorium do industrializacji
1. Dziedzina lotnictwa i kosmonautyki
Siemens wykorzystuje SLM do drukowania ostrzy ze stopów-na bazie niklu,-do wysokich temperatur. Łopatki te są następnie poddawane obróbce HIP i kierowanej rekrystalizacji w celu dodania skomplikowanych kanałów chłodzących, co sprawia, że ​​turbina jest o 5% bardziej wydajna i zużywa o 3% mniej paliwa.
Lekkie części konstrukcyjne: Boeing 787 jest wyposażony w wsporniki ze stopu tytanu wydrukowane w 3D-, które są dwukrotnie podgrzewane (HIP+starzenie), dzięki czemu są o 40% mocniejsze i 30% lżejsze.
2. Przemysł wyrobów medycznych
Johnson&Johnson Medical wyżarzone próżniowo stawy biodrowe wydrukowane w 3D, aby pozbyć się naprężeń powierzchniowych. Następnie zastosowali polerowanie chemiczne, aby powierzchnia była gładsza do Ra0,8 μm i zapewniła implantom trwałość zmęczeniową przekraczającą 20 lat.
Konstrukcja zapobiegająca-zmęczeniu: opracowana przez Chińską Akademię Nauk technika NAMP (regulacja defektów i tkanki-krok po-kroku) podniosła wytrzymałość zmęczeniową na rozciąganie implantu Ti-6Al-4V z 475 MPa do 978 MPa, co stanowi najwyższy poziom na świecie.
3. Tematyka urządzeń energetycznych
Naprawa turbiny gazowej: zespół MIT naprawił wydrukowaną w 3D-komorę spalania ze stopu niklu-, stosując obróbkę ukierunkowaną rekrystalizacją. Dzięki tej obróbce komora była w stanie wytrzymać naprężenie 200 MPa w wysokiej temperaturze 650 stopni i zmniejszyła szybkość pełzania o 80%.
Części do energii jądrowej: Grupa EDF we Francji stosuje obróbkę HIP do drukowania 3D złączy rurowych ze stali nierdzewnej. Eliminuje to wewnętrzne wady i zwiększa odporność połączeń na korozję poprzez obróbkę roztworową w celu spełnienia przepisów bezpieczeństwa nuklearnego.