Hoe beïnvloeden de warmtebehandelingsparameters de prestaties van het uiteindelijke onderdeel?

1. Temperatuurparameter: reconstructie van de microstructuur, aangedreven door faseovergang
Controle van de temperatuur van de vaste oplossing en de fasesamenstelling
De temperatuur van de oplossingsbehandeling heeft een direct effect op hoe goed legeringselementen oplossen in de metaalmatrix. De versterkende kern van 3D-geprint 17-4PH roestvrij staal zijn de koperdeeltjes die uit de martensitische matrix vallen. Wanneer de temperatuur van de vaste oplossing tussen 1040 en 1080 graden wordt gehouden, lost het koperelement volledig op in de austenietmatrix, waardoor een oververzadigde vaste oplossing ontstaat. Als de temperatuur lager is dan 1000 graden, zullen overgebleven koperdeeltjes het materiaal niet voldoende versterken. Als de temperatuur boven de 1100 graden komt, wordt het materiaal minder robuust omdat de korrels groter worden. Volgens onderzoek van het Institute of Metals van de Chinese Academie van Wetenschappen kan een HIP-behandeling op 950 graden helpen bij de verandering van martensiet in een tweefasenstructuur in de Ti6Al4V-legering. Dit verhoogt de rek tot 13,15% terwijl de vloeigrens op 909,5 MPa blijft.
Verbetering van het temperatuur- en neerslaggedrag van veroudering
Tijdbehandeling maakt de zaken sterker door de grootte en verspreiding van de tweede fasedeeltjes te beheersen. Het team van de Shanghai University of Technology verouderde de CuCrZr-legering gemaakt door SLM gedurende 1 uur bij 500 graden. Dit verhoogde de treksterkte van 460 MPa naar 585 MPa en de geleidbaarheid van 31% IACS naar 64% IACS. Het versterkingsmechanisme berust op het feit dat tijdens het verouderingsproces Cr-atomen uit de kopermatrix komen. Hierdoor ontstaan ​​CrxZry-deeltjes op nanoschaal die de migratie van dislocaties tegenhouden via het Orowan-versterkingsmechanisme. Naarmate de verouderingstemperatuur oploopt tot 550 graden, zijn de neergeslagen fasen grover, waardoor het materiaal zwakker wordt. Het materiaal wordt echter taaier, met een toename van 20% in taaiheid als gevolg van een afname van de slipweerstand bij dislocatie.
2. Tijdparameter: de balans tussen het oplossen van bugs en prestaties
Tijd om vast te houden en effectiviteit van poriënsluiting
De houdbaarheid heeft een directe invloed op hoe goed de poriën worden hersteld na een HIP-behandeling. Onderzoek naar het HIP-proces van de Ti6Al4V-legering toont aan dat bij 920 graden /140 MPa een behandeling van 2 uur de porositeit kan verminderen van 0,8% naar 0,02% en een dichtheid van 99,99% kan bereiken; Als de houdtijd wordt verlengd tot 4 uur, neemt de porositeit verder af tot 0,005%, maar neemt de korrelgrootte toe van 10 μm naar 15 μm, wat resulteert in een afname van de vloeigrens met 8%. Dit betekent dat, hoewel het vasthouden van tijd de zaken dichter kan maken, het ook vreemde graangroei kan veroorzaken. Er moet dus een evenwicht worden gevonden tussen het oplossen van defecten en het op peil houden van de prestaties.
Kinetiek van faseverandering en isolatietijd
De isolatietijd van de behandeling met vaste oplossing moet ervoor zorgen dat alle legeringselementen volledig zijn opgelost. Voor een 3D-geprinte IN718 hoge--legering kan het Nb-element in de matrix volledig worden opgelost door deze gedurende 1 uur op 1080 graden te houden. Als de isolatieperiode wordt teruggebracht tot 30 minuten, kan de versterkingsfase van '' niet volledig plaatsvinden, waardoor de kruipprestaties bij hoge- temperaturen met 40% afnemen. De tijdsduur dat het materiaal geïsoleerd is tijdens de verouderingsbehandeling heeft invloed op de grootte van de fases die zich vormen. Na 8 uur veroudering bij 720 graden is de fase in de 718-legering bijvoorbeeld 50 nm groot, wat het beste is voor versterking. Na 16 uur veroudering groeide de neergeslagen fase tot 100 nm, waardoor de sterkte met 15% daalde.
3. Afkoeltempo: het verfijnen van de organisatie en het beheersen van de reststress
De snelheid van het blussen en de productie van martensiet
De snelheid waarmee het metaal afkoelt tijdens het afschrikken beïnvloedt welke faseovergangsproducten het zal hebben. Voor 3D-geprint H13-gereedschapsstaal kan de olie-afkoelsnelheid van 50 graden/s platte noedels martensiet maken met een hardheid van 52HRC. Als je het afkoelt met lucht (5 graden/s), vormt zich de bainietstructuur en daalt de hardheid naar 40HRC. Hoewel een snelle uitdoving dingen moeilijker kan maken, kan het er ook voor zorgen dat ze barsten. Om de juiste balans te vinden tussen hardheid en restspanning is gradueel afschrikken nodig (bijvoorbeeld eerst afkoelen tot 600 graden en daarna oliekoeling).
Een langzame afkoelsnelheid en stressverlichting
De trage afkoelsnelheid tijdens de gloeibehandeling heeft invloed op de manier waarop restspanning wordt vrijgegeven. Het duurde 2 uur om de AlSi10Mg-aluminiumlegering voor 3D-printen af ​​te koelen van 300 graden naar kamertemperatuur met een snelheid van 5 graden/min. Hierdoor werd de restspanning met 70% verminderd. Als de koelsnelheid wordt verhoogd tot 20 graden/min, zal de restspanning slechts met 30% afnemen. Langzame afkoeling bevordert de herschikking van dislocaties en migratie van korrelgrenzen, waardoor stress wordt verlicht. Een te langzame afkoelsnelheid kan er echter voor zorgen dat de korrels grover worden. Daarom zijn geschikte instellingen voor materiaaloptimalisatie nodig.
4. Samenwerkingsoptimalisatie met meerdere- parameters: van 'trial and error' tot 'precieze controle'
Digital Twin-technologie stimuleert parametervoorspelling
Siemens en Boeing hebben samengewerkt om een ​​digitaal tweelingplatform te maken dat kan laten zien hoe het temperatuurveld, het spanningsveld en de microstructuur van een 3D-geprinte Ti6Al4V-legering veranderen tijdens een HIP-behandeling. Het systeem kan de beste HIP-methode bepalen (zoals 920 graden/140 MPa/2 uur) door rekening te houden met zaken als startporositeit en korrelgrootte. Hierdoor kunnen de onderdelen drie keer langer meegaan en wordt het aantal tests gehalveerd.
Parameterinversie met behulp van machine learning
GE Aviation maakt gebruik van machine learning-technieken om naar 100.000 sets warmtebehandelingsgegevens te kijken en een 'temperatuur-tijd-koelsnelheid-prestatie'-kaartmodel te creëren. Dit model kan procesinstellingen vinden die geschikt zijn voor bepaalde prestatiebehoeften. Wanneer de IN718-legering bijvoorbeeld een kruiplevensduur van 1000 uur bij 650 graden moet aanhouden, stelt het systeem een ​​processchema voor van 1080 graden/1 uur veroudering in vaste oplossing+720 graden/8 uur. De gemeten kruiplevensduur bedraagt ​​1200 uur.
5. Casestudy van een industrie: van het laboratorium naar de fabriek
Het gebied van de lucht- en ruimtevaart
Om het 3D-printen van op nikkel-gebaseerde turbineschijven van hoge--legeringen te verbeteren, past Rolls Royce een HIP-behandeling toe. Met HIP behandelde onderdelen hebben een kruiplevensduur van 173 uur bij een hoge temperatuur van 1400 graden, wat meer is dan de 50 uur die nodig was voor essentiële componenten van GE9X-motoren.
Gebied van medische implantaten
Na 4 uur HIP-behandeling bij 950 graden op het 3D-geprinte Ti6Al4V-heupgewrichtsimplantaat van Johnson&Johnson bereikte de maximale vermoeidheidssterkte 550 MPa (107 cycli), wat hetzelfde is als de gesmede, gegloeide toestand. Tegelijkertijd wordt de oppervlakteruwheid Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.