Каковы преимущества обработки HIP при пост-обработке 3D-печати металлом?

1. Избавление от внутренних дефектов: переход от «пористости» к «нулевым дефектам»
Не-неравновесное затвердевание, вызванное быстрым охлаждением, может привести к образованию крошечных отверстий во время 3D-печати металлом. С другой стороны, разборка опорных конструкций или неполное расплавление порошка может привести к макроскопической усадке. Эти дефекты могут привести к появлению трещин, что значительно сокращает усталостный срок службы деталей. Технология HIP устраняет дефекты следующими методами:
Закрытие пор и объединение металлов
Когда металлические материалы нагреваются до высокой температуры (обычно в 0,5–0,8 раза выше точки плавления материала) и подвергаются большому давлению (от 100 до 200 МПа), они становятся очень податливыми. Давление газа заставляет металл вокруг пор менять форму, контактируя друг с другом и образуя металлургические связи. Это приводит к уменьшению объема пор до тех пор, пока они не исчезнут. Например, после обработки HIP пористость жаропрочного сплава IN718, изготовленного с использованием технологии SLM, увеличилась с 0,8% до 0,02%, что обеспечило его плотность 99,99%, что необходимо аэрокосмической промышленности для обеспечения надежности материалов.
Заживление микротрещин
Термическое напряжение при 3D-печати металлом может привести к появлению микротрещин. Высокотемпературный-отжиг при ГИП-обработке позволяет избавиться от остаточных напряжений, а среда с высоким-давлением заставляет вершину трещины пластически изгибаться, что закрывает трещину и создает стабильную зернограничную структуру. Экспериментальные данные показывают, что обработка HIP может уменьшить плотность трещин в нержавеющей стали 316L на 90 % и повысить вязкость разрушения на 30 %.
Очистка зерен и придание микроструктуры более однородной
Высокотемпературный-процесс HIP аналогичен обработке отжигом, который позволяет избавиться от недоохлажденной структуры или метастабильной фазы, которая образуется при быстром охлаждении SLM. Например, после обработки ГИП крупные столбчатые кристаллы сплава Ti6Al4V превращаются в мелкие равноосные кристаллы, а размер зерна изменяется от 50 до 10 мкм. Это делает материал гораздо более гибким и устойчивым к усталости.
2. Улучшение механических характеристик: поиск правильного баланса между прочностью и ударной вязкостью.
Обработка HIP оказывает два влияния на механические характеристики металлических 3D-печатных деталей:
Прочность и пластичность лучше сочетаются друг с другом.
Прочность материала может немного снизиться (обычно на 5–15%) после обработки ГИП, но показатели его пластичности, такие как удлинение, значительно возрастают. Например, после обработки HIP предел прочности алюминиевого сплава AlSi10Mg, полученного методом SLM, снизился с 420 МПа до 380 МПа, но удлинение увеличилось с 8% до 15%, что хорошо для легких деталей конструкций автомобилей.
Значительное улучшение показателей сопротивления усталости.
Основной причиной роста усталостных трещин являются внутренние дефекты. Избавившись от пор и микротрещин, ГИП-обработка значительно увеличивает усталостную долговечность деталей. Например, усталостная долговечность при высоких-сплаве IN718, обработанном ГИП при температуре 650 градусов и давлении 690 МПа, увеличилась с 50 часов без обработки до 173 часов. Это соответствует требованиям к сроку службы авиационных двигателей GE для основных деталей.
Анизотропное удаление
Качество межслойного соединения при 3D-печати металлом может привести к тому, что механические свойства будут различаться в разных направлениях. Материал действует одинаково во всех направлениях, когда он обработан HIP, который использует равномерное давление на 360 градусов. Например, разница в коэффициентах радиального и осевого трения между керамическими шариками из нитрида кремния, обработанными HIP, составляет менее 5%, что намного лучше, чем стандартные методы спекания.
3. Расширение сферы применения: переход от «Доступного» к «Надежному»
Обработка HIP помогает с технической стороны широкомасштабного использования технологии 3D-печати металлом в тех областях, где она пользуется большим спросом.
Аэрокосмический сектор
Лопатки турбины, камеры сгорания и другие части авиационного двигателя должны быть способны работать в условиях высоких температур, высоких давлений и больших нагрузок. Обработка HIP позволяет избавиться от трещин, вызванных термическим напряжением, которые возникают, когда процесс SLM охлаждается слишком быстро, а также улучшить качество материалов при высокой-ползучести при высоких температурах. Rolls Royce, например, использует турбинные диски из жаропрочных-сплавов из высокотемпературного-никелевого-сплава, которые повышают рабочую температуру с 1200 до 1400 градусов Цельсия, а соотношение тяги-к-массе увеличивается на 20 %.
Область медицинских имплантатов
Ортопедические имплантаты должны быть прочными и безопасными для организма. Обработка HIP может избавиться от сегрегации альфа-фазы в сплаве Ti6Al4V, снизить вероятность утечки ионов металла и продлить срок службы материала под нагрузкой. Клинические данные показывают, что за десятилетие частота неудач имплантатов тазобедренного сустава, подвергнутых HIP, снизилась с 3% до 0,5%.
Энергетическая и судоходная отрасли
Такие детали, как сосуды под давлением ядерного реактора и корпуса глубоководных-датчиков, должны выдерживать очень суровые условия. Циркониевая керамика,-обработанная HIP, выдерживает высокое давление 110 МПа в глубоководных водах, а топливный элемент с покрытием из карбида кремния-может оставаться стабильным при высоких температурах до 1200 градусов. Эти материалы очень важны для четвертого поколения ядерной энергетики.