Повлияет ли термообработка на точность размеров деталей?

一, Основной способ изменения размеров предметов при термической обработке.
1. Снятие остаточного напряжения и термического напряжения.
Метод 3D-печати металлом быстро нагревает и охлаждает материал, что вызывает внутреннюю деформацию решетки и остаточное напряжение. Для снятия напряжений за счет релаксации решетки термообработка заключается в нагреве до температуры ниже температуры рекристаллизации (например, выдержка титанового сплава при температуре 800 градусов в течение 2 часов). Но неравномерность снятия напряжений может вызвать локальную деформацию. Например, если конструкция опоры для лопаток турбины авиационного двигателя неудовлетворительна, удаление опоры после термообработки может вызвать локальную концентрацию напряжений и коробление кромок лопаток с деформацией 0,1–0,3 мм.
2. Изменение объема за счет изменения фазы
В процессе термообработки материалы могут менять фазы (например, мартенситное превращение), что может привести к увеличению или уменьшению их объема. Например, жаропрочные-сплавы на основе никеля могут превратиться из аустенита в мартенсит, если скорость охлаждения после обработки на раствор слишком высока (1080 градусов в течение 1 часа). Это может привести к увеличению объема и изменению размера деталей, напечатанных методом лазерной плавки в порошковом слое (LPBF). Экспериментальные данные показывают, что критическая погрешность размеров компонентов, не имеющих регулируемой скорости охлаждения, может достигать ± 0,05 мм после термообработки, что превышает допустимые пределы, установленные авиационными стандартами.
3. Рост зерен и однородность тканей.
Контроль скорости нагрева и времени выдержки во время термообработки может улучшить однородность ткани и размер зерна. Но если зерна растут неравномерно, это может привести к разной степени усадки в разных местах. Например, нагрев композита, армированного непрерывным углеродным волокном (CCFRC), до 100 градусов повышает кристалличность его матрицы с 17,42% до 22,76%. Но если волокна расположены неравномерно, разница в размерах может составлять от 0,02 до 0,05 мм, что затруднит правильное соединение.
2. Типичный пример: термическая обработка оказывает два влияния на точность размеров.
1. Аэрокосмическая промышленность: поиск правильного баланса между высокой точностью и высокой производительностью
Компания Boeing производит кронштейны для самолетов с использованием технологии LPBF, однако их необходимо подвергнуть термической-обработке, чтобы повысить их предел прочности до 520 МПа. Но после термообработки становится трудно поддерживать стабильные размеры деталей. Чтобы получить точный контроль, сделайте следующее:
Компенсация предварительной-деформации: используйте обратную пред-деформацию исходной модели, чтобы приблизить компенсированную модель к оптимальному размеру после термообработки. Это повысит точность печати на 66,2%.
Сегментированный нагрев и охлаждение: использование поэтапного нагрева (выдержка при температуре 50 градусов в течение 30 минут) и замедленного охлаждения (охлаждение на воздухе после охлаждения печи до 200 градусов) для снижения термического напряжения, вызванного температурными градиентами, при этом деформация регулируется в пределах ± 0,03 мм.
2. Медицинские имплантаты: сочетание биосовместимости и правильности размеров.
При 3D-печати вертлужных чашек из титанового сплава поверхностная микропористая структура (5–10 мкм) должна быть очень точной по размеру. Конкретная компания достигает точного контроля с помощью комбинированного метода «отжиг для снятия напряжений + кислотное травление»:
Отжиг для снижения напряжения: выдержите при температуре 650 градусов в течение 2 часов, чтобы избавиться от остатков печатного напряжения и снизить вероятность изменения размера во время следующего кислотного травления.
Обработка кислотным травлением: используйте смесь плавиковой кислоты и раствора азотной кислоты для травления в течение 10 минут, чтобы создать однородные микропоры. Это предотвратит возникновение локальной коррозии при снятии напряжения. Разница в размерах должна быть в пределах ± 0,02 мм.
3. Промышленные формы: поиск правильного баланса между стоимостью и использованием.
С помощью процедуры термообработки «твердый раствор+старение» конкретная компания сделала формы из алюминиевого сплава более твердыми до 120HB. Однако им необходимо найти компромисс между стоимостью и точностью:
Экономически-эффективный метод заключается в пескоструйной очистке (значение Ra меньше или равно 3,2 мкм) только тех деталей, которые соответствуют типичным потребностям в формовании пластмасс. Это снижает стоимость каждой детали на 40%, но размеры не очень стабильны.
Высокопроизводительное-решение: повысьте точность обработки на станках с ЧПУ (значение Ra меньше или равно 0,8 мкм), что хорошо для деталей пресс-форм, которые должны быть очень блестящими или прозрачными. Это утроит время обработки, но точность размеров составит ± 0,01 мм.
3. Стратегия контроля точности размеров: совершенствование процессов и внедрение новых технологий.
1. Согласование параметров процесса: совместная работа процессов термообработки и печати.
Настройки термообработки должны быть такими же, как и для процесса 3D-печати, например, температура и скорость охлаждения. Например, если вы печатаете сплавом Inconel 718 с использованием LPBF и слой печати имеет толщину 0,05 мм, вам необходимо использовать обработку раствором при 1150 градусах и старение при 720 градусах, чтобы минимизировать трещины и изменения размеров, которые происходят, когда материал охлаждается слишком быстро. Испытания показали, что соответствие параметров позволяет продлить срок службы деталей в три раза и сделать их размеры стабильнее на 50%.
2. Интеллектуальная система управления температурным режимом: следит за происходящим в режиме реального времени и вносит изменения по мере необходимости.
Используя инфракрасные датчики и систему управления температурой с обратной связью, интеллектуальная система управления температурным режимом делает тепловое поле более равномерным. Система искусственного интеллекта, созданная Platinum Technology, может изменять мощность лазера и скорость сканирования в режиме реального времени. Это предотвращает слишком сильное изменение температуры во время печати брекетов из титанового сплава, сохраняя ее в пределах ± 5 градусов. После термообработки система также уменьшает отклонение размеров с ± 0,05 мм до ± 0,02 мм.
3. Новые способы термообработки вещей: локальный нагрев и композиционный процесс.
Локальная термообработка. Индукционный нагрев или локальная лазерная термообработка используются для крупных деталей, чтобы предотвратить их деформацию при полном нагревании. Благодаря местной обработке раствором специальный авиационный кронштейн достиг прочности на растяжение 520 МПа и стабильности размеров лучше ± 0,03 мм.
Композитный процесс: совместное использование термообработки и горячего изостатического прессования (ГИП) для избавления от внутренних дефектов и улучшения структуры. Усталостная долговечность лопаток турбины авиационных двигателей GE после обработки HIP увеличивается в три раза, а размерная деформация сохраняется ниже 0,05%.