Каковы распространенные методы термообработки при 3D-печати металлом?

1. Обработка отжигом: избавьтесь от остаточного напряжения и сделайте размеры более стабильными.
Процесс отжига включает нагрев детали до определенной температуры (обычно ниже температуры рекристаллизации), выдержку ее там в течение заданного времени, а затем медленное охлаждение. Это снимает внутреннее напряжение в материале, измельчает или рекристаллизует зерна, а также улучшает производительность обработки и стабильность размеров.
Где это использовать:
Снятие напряжения: метод лазерной плавки порошкового слоя (SLM) может оставить остаточное напряжение, поскольку он очень быстро остывает. Отжиг может помочь снизить уровень напряжения, чтобы материал не сгибался и не раскалывался во время последующей обработки или использования. Например, детали конструкции самолетов после печати часто отжигают при температуре 600–650 градусов, что снижает напряжение более чем на 80%.
Повышение пластичности: отжиг уменьшает размер зерен напечатанных деталей из титанового сплава (например, Ti6Al4V) и увеличивает их удлинение на 15–20%, что делает их более подходящими для деталей, требующих холодной штамповки.
Стабилизация размеров. Прецизионные формы или оптические детали могут остановить дрейф размеров, который происходит при снятии напряжения в результате отжига, который соответствует высоким-стандартам точности.
При изготовлении топливных форсунок для двигателей LEAP компания GE Aviation использовала технологию отжига, чтобы снизить остаточное напряжение напечатанных деталей с 300 МПа до менее 50 МПа. Это сделало детали более стабильными при высоких-давлениях и высоких-температурах.
2. Обработка раствором и старение: делаем сплав прочнее
Принцип процесса:
Обработка твердым раствором: нагрев сплава до высокотемпературной однофазной-зоны для полного растворения атомов растворенного вещества и образования пересыщенного твердого раствора с последующим быстрым охлаждением (например, закалкой в ​​воде) для сохранения высокотемпературной-структуры.
Временная обработка: храните пересыщенный твердый раствор при более низкой температуре (обычно от 100 до 500 градусов), чтобы разрушить его и образовать упрочняющие фазы, такие как «фаза». Это сделает материал намного прочнее и тверже.
Пример использования:
Жаропрочные-сплавы на основе никеля-, такие как Inconel 718, после печати требуют обработки твердым раствором (980–1010 градусов) и старения (720 градусов × 8 часов+620 градусов × 8 часов). Они имеют предел прочности более 1500 МПа, что достаточно для дисков турбин авиационных двигателей.
Алюминиевый сплав, такой как AlSi10Mg, становится на 30% тверже после термообработки T6 (старение твердого раствора при 505 градусах + 170). Это делает его подходящим для легких конструктивных деталей.
Чтобы получить наилучшее сочетание прочности и ударной вязкости, титановый сплав Ti6Al4V обрабатывается твердым раствором (950 градусов) и стареет (550 градусов). Это делает его пригодным для ортопедических имплантатов.
Например, камера сгорания двигателя Raptor компании SpaceX построена из напечатанных деталей Inconel 718, которые остаются прочными даже после длительного нагрева до 2000 градусов по Цельсию, что позволяет использовать ракеты снова и снова.
3. Горячее изостатическое прессование (ГИП): избавление от внутренних дефектов и придание материалу большей плотности.
Принцип процесса: при HIP детали помещаются в контейнер высокого-давления и подвергаются воздействию атмосферы инертного газа (например, аргона) с высокой температурой (обычно 1000–1200 градусов) и высоким давлением (100–200 МПа). Это приводит к тому, что материал меняет форму, закрывает поры и микротрещины и достигает почти 100% плотности.
Вариант использования:
Лопатки турбины и камеры сгорания — две важные части самолета, которые должны выдерживать очень высокие температуры и нагрузки. Обработка HIP может решить проблемы с межслоевым соединением и увеличить усталостную долговечность в 3–5 раз.
HIP-обработка применяется к медицинским имплантатам, в том числе вертлужным чашкам и устройствам для спондилодеза, чтобы убедиться, что материалы не содержат пор-, снижают опасность выделения ионов металлов и соответствуют строгим стандартам FDA по биосовместимости.
HIP может устранить проблемы, вызванные остатками внутренней опоры в сложных деталях конструкции, включая форсунки двигателя с каналами охлаждения, чтобы обеспечить их правильную работу.
Например, Siemens Energy использует обработку HIP для изготовления лопаток газовых турбин. Это снижает пористость напечатанных деталей с 0,5 % до 0,01 %, улучшает характеристики ползучести при высоких-температурах на 40 % и обеспечивает срок службы лезвий более 100 000 часов.
4. Закалка и отпуск: поиск правильного баланса между твердостью и ударной вязкостью.
Принцип процесса:
Закалка: нагрев деталей до температуры, при которой они превращаются в аустенит, а затем быстрое охлаждение (например, маслом или водой) для создания очень твердой мартенситной структуры.
Закалка: чтобы разрушить мартенсит, избавиться от закалочного напряжения и сделать материал более прочным, держите его при более низкой температуре (150–650 градусов).
Где это можно использовать:
Инструментальная сталь: например, сталь для горячей обработки H13 закаливается при температуре 1050 градусов и отпускается при температуре 580 градусов после печати. Его твердость составляет 52HRC, а показатели термической усталости увеличены на 50 %, что делает его пригодным для-форм для литья под давлением.
Закалка (1050 градусов) и низкотемпературный отпуск (200 градусов) делают нержавеющую сталь, например 316L, более прочной и устойчивой к коррозии. Это делает его хорошим выбором для химического оборудования.
После обработки твердым раствором и старения мартенситная стареющая сталь, такая как 18Ni300, может достигать прочности до 2000 МПа. Он используется для изготовления высокоточных-форм или деталей аэрокосмических конструкций.
Компания Boeing использует процесс закалки и отпуска для изготовления деталей шасси из титанового сплава, напечатанных на 3D-принтере. Это делает их более устойчивыми к ударам (35 Дж/см²), сохраняя при этом их прочность на высоком уровне, что и требуется ФАУ для сертификации летной годности.
5. Циклическая термообработка: улучшение микроструктуры суперсплавов.
Принцип процесса: Микроструктура материала контролируется путем прохождения нескольких циклов нагрева и охлаждения. Это включает в себя уменьшение размера зерна и более равномерное распределение состава, что хорошо для суперсплавов на основе никеля-, которые трудно поддаются механической обработке.
Когда использовать:
Монокристаллический сплав CMSX-4: после печати он проходит многоступенчатую термообработку (1280 градусов в течение 2 часов, 1120 градусов в течение 4 часов и 870 градусов в течение 24 часов), чтобы избавиться от сегрегации дендритов и улучшить его при высоких температурах.
Циклическая термообработка может улучшить распределение карбидов и сделать сплавы на основе кобальта-например, стеллита 6 20% более устойчивыми к износу, что делает их пригодными для уплотнительных поверхностей клапанов.
В типичном сценарии компания Rolls Royce применила циклическую термообработку для изготовления дисков турбины авиационного двигателя RB3025. Это увеличило ресурс малоцикловой усталости печатных деталей с 5000 циклов до 20 000 циклов, что помогло создать двигатели нового поколения.
6. Тенденции и проблемы отрасли
Интеллектуальное управление: алгоритмы искусственного интеллекта изменяют настройки термообработки на лету, отслеживая данные о температуре и напряжении в режиме реального времени. Это позволяет вам точно регулировать «одну печь, одну политику».
Композитный процесс. Комбинируя термообработку с HIP, нанесением поверхностного покрытия и другими процессами, мы получаем комплексное решение под названием «печатное покрытие для термообработки», которое работает лучше и быстрее.
Адаптивность материалов. Чтобы сделать 3D-печать более полезной, новые металлические материалы, такие как сплавы с высокой энтропией и аморфные сплавы, необходимо подвергать -термической обработке инновационными способами.
Трудный
Стоимость: огромные инвестиционные и эксплуатационные расходы на технологию HIP затрудняют ее доступность для малого и среднего-бизнеса.
Контроль деформации. Во время термообработки сложные детали конструкции могут деформироваться, поэтому конструкцию опор необходимо улучшать посредством моделирования.
Недостаток стандарта: в отрасли нет единого свода правил для процессов термообработки, и необходима комплексная система стандартов цепочки от материалов до деталей.