Kan warmtebehandeling de vermoeiingsprestaties van 3D-geprinte metalen onderdelen verbeteren?

Het grootste probleem met vermoeiingsprestaties is dat 3D-geprinte onderdelen vanaf de geboorte fouten vertonen.
De problemen met de vermoeidheidsprestaties van metaal 3D-printen komen voort uit de manier waarop het wordt gemaakt. Met behulp van een titaniumlegering (Ti-6Al-4V) als voorbeeld, smelt de poederbedsmeltmethode (PBF) het metaalpoeder snel en stolt het vervolgens. Dit veroorzaakt de volgende problemen:
Microstructuur heterogeniteit: De hoofdkorrels hebben een ruwe kolomvormige structuur, met meer fase nabij de randen van de korrels, waardoor vermoeiingsscheuren gemakkelijker kunnen ontstaan.
Gaten en gaten: Als het poeder niet volledig smelt of het gas oplost, kan de inwendige porositeit oplopen tot 0,5% tot 2%, wat de vermoeidheidslimiet aanzienlijk verlaagt.
Restspanning: De trekspanning die ontstaat door snel afkoelen kan 50% tot 70% van de vloeigrens van het materiaal bedragen, wat de groei van scheuren versnelt.
Het Institute of Metals, de Chinese Academie van Wetenschappen, ontdekte dat de spanningsvermoeiingssterkte van een typische 3D-geprinte titaniumlegering slechts 475 MPa bedraagt, wat veel lager is dan de 900 MPa die het zou moeten zijn bij het smeden. Dit komt vooral door poriën en een ruwe textuur die scheuren veroorzaken.
2. Het pad van warmtebehandelingstechnologie gaat van het wegwerken van defecten naar het verbeteren van de organisatie.
Door de temperatuur, de duur en de afkoelsnelheid te beheren, voldoet de warmtebehandeling aan drie hoofddoelen:
1. Het wegwerken van gebreken binnenin: de technologie van heet isostatisch persen (HIP)
Het HIP-proces maakt gebruik van een inert gas, zoals argon, om de druk te verplaatsen bij zeer hoge temperaturen (900–1250 graden) en zeer hoge drukken (100–200 MPa). Hierdoor verandert het materiaal van vorm en worden eventuele gaten erin gedicht. Bijvoorbeeld:
In de lucht- en ruimtevaart gebruikte GE Aviation SLM om Inconel 718-turbinebladen te printen en vervolgens HIP om ze te behandelen. Hierdoor werd de porositeit teruggebracht van 0,8% naar 0,02% en werd de levensduur tegen vermoeiing verdrievoudigd.
Verbetering van titaniumlegeringen: Een bedrijf in Chongqing gebruikte een HIP-behandeling om Ti-6Al-4V in 3D te printen. Dit verhoogde de vermoeiingsgrens van 550 MPa naar 900 MPa, wat hetzelfde is als de gesmede toestand, en maakte het materiaal veel minder anisotroop.
2. Directionele herkristallisatietechnologie wordt gebruikt om de korrelgrootte uniformer en de microstructuur uniformer te maken.
De directionele herkristallisatieprocedure van MIT regelt de temperatuurgradiënt (bijvoorbeeld tekenen met 2,5 mm/uur bij 1235 graden) om kolomvormige kristalstructuren te maken door de korrels in een bepaalde richting te laten groeien. Deze technologie:
Om kruip te stoppen, lijnt u kolomvormige kristallen uit met de as met de hoogste spanning, stopt u het verschuiven van de korrelgrens bij hoge temperaturen en verdubbelt u de kruiplevensduur van op nikkel-gebaseerde hoge- hoge temperatuurlegeringen.
Verbetering van de weerstand tegen vermoeiing: Bij het gebruik van gasturbinebladen verhoogt het wegwerken van grove korrels en dislocatiefouten de weerstand tegen het ontstaan ​​van vermoeiingsscheuren met 60%.
3. Controle van faseveranderingen: solide oplossing met verouderingsbehandeling
Voor materialen zoals aluminiumlegeringen breekt oplossingsbehandeling (zoals 2 uur vasthouden op 540 graden) de versterkingsfase af. Vervolgens zorgt de verouderingsbehandeling (zoals 8 uur lang op 155 graden houden) ervoor dat er neerslagen op nanoschaal (zoals de θ-fase) ontstaan.
Evenwicht tussen sterkte en taaiheid: Na de T6-warmtebehandeling steeg de vloeigrens van de F357-aluminiumlegering van 280 MPa naar 380 MPa, maar de rek bleef hetzelfde op 12%.
Het URQ-HIP-proces van Quintus Technologies combineert een solide oplossing en een hoge- drukbehandeling om te voorkomen dat de poriën opnieuw opengaan, waardoor de F357-aluminiumlegering een levensduur heeft die langer is dan die van de standaard MMPDS-gietstukken.
3, Engineering Practice: overgang van laboratorium naar industrialisatie
1. Het gebied van de lucht- en ruimtevaart
Siemens maakt gebruik van SLM om bladen van nikkel-gebaseerde hoge--legeringen te printen. Deze bladen worden vervolgens behandeld met HIP en gerichte herkristallisatie om ingewikkelde koelkanalen toe te voegen, waardoor de turbine 5% efficiënter wordt en 3% minder brandstof verbruikt.
Lichtgewicht structurele onderdelen: de Boeing 787 is voorzien van 3D-geprinte beugels van titaniumlegering die tweemaal worden verwarmd (HIP+veroudering) om ze 40% sterker en 30% lichter te maken.
2. Industrie voor medische hulpmiddelen
Johnson&Johnson Medical heeft 3D-geprinte heupgewrichten vacuümgegloeid om restspanning aan het oppervlak weg te nemen. Vervolgens gebruikten ze chemisch polijsten om het oppervlak gladder te maken tot Ra0,8 μm en de implantaten een levensduur van meer dan 20 jaar te geven.
Anti-vermoeidheidsontwerp: de NAMP-techniek van de Chinese Academie van Wetenschappen (stapsgewijze regeling van defecten en weefsels) heeft de trekvermoeidheidssterkte van het Ti-6Al-4V-implantaat verhoogd van 475 MPa naar 978 MPa, het hoogste niveau ter wereld.
3. Het onderwerp energieapparatuur
Reparatie van gasturbines: het MIT-team heeft een 3D-geprinte verbrandingskamer van een nikkel--legering gerepareerd met behulp van gerichte herkristallisatiebehandeling. Deze behandeling zorgde ervoor dat de kamer een spanning van 200 MPa kon verwerken bij een hoge temperatuur van 650 graden en de kruipsnelheid met 80% verlaagde.
Onderdelen voor kernenergie: De EDF Group in Frankrijk maakt gebruik van een HIP-behandeling om roestvrijstalen pijpverbindingen in 3D te printen. Hierdoor worden interne gebreken verholpen en worden de verbindingen beter bestand tegen corrosie door oplossingsbehandeling om te voldoen aan de nucleaire veiligheidsvoorschriften.