Wat is de rol van warmtebehandeling tegen stress bij het 3D-printen van metaal?

1. De vormingsmethode en de gevaren van restspanning
De fysieke aard van de accumulatie van thermische spanning
Laser- of elektronenstralen creëren zeer hoge temperaturen (meer dan 2000 graden) op kleine locaties tijdens het 3D-printproces van metaal. Hierdoor smelt het metaalpoeder en ontstaat er een plas gesmolten metaal. Wanneer de laserstraal wordt weggeschoven, koelt het gesmolten bad snel af en hardt het uit, waardoor de temperatuur op nabijgelegen plaatsen verandert. Deze ongelijkmatige thermische uitzetting en samentrekking creëren een gecompliceerd spanningsveld binnen het onderdeel. Bij het printen van luchtvaartbeugels van titaniumlegering heeft de hangende structuur geen enkele ondersteuning en kan de lokale spanning 80% van de vloeigrens van het materiaal benaderen, wat veel hoger is dan de draaglimiet van het materiaal.
Veelvoorkomende problemen die stress veroorzaken
Als de resterende spanning niet snel wordt losgelaten, zal dit drie hoofdproblemen opleveren:
Geometrische instabiliteit: Wanneer de spanning te hoog is om het materiaal met het substraat te laten binden, zal het onderdeel buigen en van vorm veranderen. Uit een casestudy van een vliegtuigmotorblad bleek dat het blad dat niet was behandeld na het printen 3,2 mm verbogen was, wat veel meer is dan de tolerantie van 0,1 mm die nodig is voor montage.
Scheurinitiatie: De locatie waar spanning wordt opgebouwd, is waarschijnlijk de plek waar scheuren beginnen. Bij het printen van op nikkel-gebaseerde hoge--temperatuurlegeringsturbineschijven hebben onbehandelde onderdelen een scheurincidentie van 42%, maar na warmtebehandeling daalt dit tot minder dan 2%.
Prestatievermindering: Restspanning kan de levensduur van materialen verkorten. Experimenten hebben aangetoond dat de onbehandelde toestand van 316L roestvrijstalen componenten resulteert in een vermindering van 60% van de levensduur bij hoge cyclusvermoeidheid vergeleken met de toestand na de- warmtebehandeling.
2. De technische theorie en het proces voor het uitvoeren van een warmtebehandeling tegen stress
De fysieke manier om spanning los te laten
Warmtebehandeling met spanningsverlichting houdt in dat het onderdeel wordt verwarmd tot een bepaald temperatuurbereik (doorgaans 0,4 tot 0,6 keer het smeltpunt) om het materiaal zeer buigzaam te maken. Bij deze temperatuur wordt het vermogen van atomen om zich te verplaatsen verbeterd en worden kleine gebreken zoals dislocaties en gaten gereorganiseerd, waardoor de interne spanning langzaam wordt opgeheven door kleine plastische vervorming. Als we de op nikkel-gebaseerde legering Inconel 718 als voorbeeld nemen, kan na 4 uur isolatie bij 620 graden de restspanning worden verlaagd van 380 MPa naar minder dan 50 MPa.
Exacte controle van procesparameters
De belangrijkste dingen die van invloed zijn op de warmtebehandeling bij stressverlichting zijn de verwarmingssnelheid, de temperatuur van de isolatie, de tijd die nodig is om te isoleren en de manier waarop deze afkoelt:
Opwarmsnelheid: Je moet niet te snel opwarmen, omdat dit voor verdere stress kan zorgen. De verwarmingssnelheid voor onderdelen van aluminiumlegeringen moet op minder dan of gelijk aan 10 graden/min worden gehouden.
Isolatietemperatuur: Meestal ontworpen om lager te zijn dan de temperatuur waarbij kristallen ontstaan. Het normale temperatuurbereik voor de warmtebehandeling van titaniumlegering Ti6Al4V is 593 tot 649 graden Celsius. Dit is de beste manier om spanning te verlichten en de korrelstructuur te verbeteren.
Hoe te koelen: Gebruik ovenkoeling of koeling met gecontroleerde snelheid om extra stress als gevolg van te snel afkoelen te voorkomen. Een voorbeeld van een medisch implantaat toont aan dat een trapkoelingstechniek (600 graden → 400 graden → kamertemperatuur) de vervorming van componenten binnen 0,05 mm kan reguleren.
Voordelen van een vacuümomgeving
Vacuümwarmtebehandeling is de beste keuze geworden voor hoogwaardige-productie, omdat hierdoor de risico's van oxidatie en verontreiniging worden geëlimineerd. Uit tests van TAV Vacuum Furnace Company is gebleken dat onderdelen van 316L roestvrij staal die in een vacuüm een ​​warmte-behandeling hebben ondergaan, een 40% gladder oppervlak en een 25% betere weerstand tegen corrosie hebben dan onderdelen die een warmte-behandeling aan de lucht ondergaan. Bovendien kan een vacuümatmosfeer problemen zoals waterstofverbrossing tegengaan, wat het perfect maakt voor de vliegtuigindustrie, waar materiaalzuiverheid erg belangrijk is.
3. Het nut van warmtebehandeling bij stressverlichting in de echte wereld en in het bedrijfsleven
Prestatiegarantie in de lucht- en ruimtevaartindustrie
Warmtebehandeling met spanningsverlichting is een belangrijke stap bij het maken van bladen voor vliegtuigmotoren, omdat het ervoor zorgt dat de onderdelen betrouwbaar zijn. GE Aviation heeft de warmtebehandelingstechniek verbeterd, zodat de restspanning in bladen op basis van eenkristalnikkel-legering met 75% wordt verminderd en ze drie keer langer meegaan. De levensduur bij lage cyclusvermoeidheid van de turbineschijf in een bepaald type turbofanmotor is na warmtebehandeling gestegen van 500 cycli naar 2000 cycli. Dit voldoet aan de behoeften van een ontwerp met een lange-levensduur.
Verbetering van de biocompatibiliteit van medische implantaten
Orthopedische implantaten gemaakt van een titaniumlegering moeten zowel zeer sterk als zeer flexibel zijn. Warmtebehandeling tegen stress kan de elasticiteitsmodulus van implantaten verlagen en verwerkingsstress wegnemen, wat kan helpen het "stressafschermende effect" te verminderen. Experimenteel bewijs geeft aan dat de modulus van Ti6Al4V-implantaten na -warmtebehandeling afneemt van 110 GPa naar 85 GPa, wat nauwer aansluit bij menselijk botweefsel (10-30 GPa) en de botintegratie aanzienlijk verbetert.
Vormproductie met nauwkeurige controle
Bij het 3D-printen van vormstaal kan een warmtebehandeling tegen spanning de thermische vervorming tijdens het drukproces voorkomen en ervoor zorgen dat de vormholte de juiste maat heeft. Een bepaald auto-matrijsgeval geeft aan dat na warmtebehandeling de maattolerantie van de vormholte van ± 0,1 mm tot ± 0,02 mm gaat, wat nodig is voor nauwkeurig spuitgieten. Tegelijkertijd kan warmtebehandeling de mal beter bestand maken tegen slijtage, waardoor de levensduur kan worden verdubbeld of verdrievoudigd.