Kích thước hạt của bột kim loại có ảnh hưởng đến chất lượng in của khuôn không?

一, Cách kích thước hạt ảnh hưởng đến chất lượng in: tác dụng hiệp đồng theo nhiều cách
1. Bột trải đều: Mật độ của lớp bột dựa trên kích thước của các hạt.
Bước đầu tiên trong in 3D kim loại là phân phối bột và mức độ đồng đều của bột có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng ban đầu của khuôn. Các hạt bột có kích thước nhỏ (dưới 15 µm) có xu hướng dính vào nhau vì chúng có nhiều năng lượng bề mặt. Điều này có thể gây ra các lỗ rỗng hoặc vón cục trong lớp bột. Mặt khác, nếu các hạt quá lớn (hơn 53 μm), chúng có thể chảy tốt nhưng hạn chế độ dày lớp tối thiểu, khiến khó tạo ra các đặc điểm đẹp như cấu trúc có thành mỏng. Ví dụ, khi sử dụng bột thép không gỉ 316L với các hạt có kích thước từ 15 đến 45 μm trong quy trình SLM, độ dày của lớp bột có thể được giữ trong khoảng từ 30 đến 50 μm và mật độ của lớp bột có thể đạt tới 99,2%. Nhưng khi kích thước hạt vượt quá phạm vi này, độ xốp sẽ tăng lên rất nhiều.
Tính hợp lý của việc phân bố kích thước hạt cũng quan trọng không kém. Sử dụng phân phối lưỡng kim (trộn các hạt thô và mịn) giúp cải thiện mật độ đóng gói bột. Các hạt mịn lấp đầy khoảng trống giữa các hạt thô, làm tăng mật độ đóng gói lỏng lẻo từ 10% đến 15%. Điều này làm giảm các sai sót bên trong khuôn. Bằng cách cải thiện tỷ lệ kích thước hạt của bột Ti6Al4V (D50=35 μ m, D90=50 μ m), một công ty hàng không cụ thể đã tăng mật độ khuôn cánh tuabin từ 98,5% lên 99,7% và tuổi thọ mỏi thêm 20%.
2. Độ ổn định của bể: sự cân bằng giữa kích thước hạt và khả năng hấp thụ năng lượng thay đổi theo thời gian
Bể nóng chảy là phần chính nơi bột kim loại tan chảy và độ ổn định của nó phụ thuộc vào mức độ hấp thụ năng lượng chùm tia laser/điện tử của bột. các hạt nhỏ có diện tích bề mặt riêng lớn và tốc độ hấp thụ nhiệt nhanh. Tuy nhiên, những loại bột quá nhỏ (như<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 μm, tỷ lệ khuyết tật nhiệt hạch một phần lên tới 15%.
Sự phân bố kích thước hạt không đồng đều cũng có thể gây ra sự bất bình đẳng trong dẫn nhiệt ở một số khu vực nhất định, điều này có thể góp phần tạo ra sự tập trung ứng suất dư. Một nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bột Inconel 718 có phân bổ kích thước hạt rộng (10–100 μm) để in khuôn sẽ làm tăng ứng suất dư lên 30% so với phân bố kích thước hạt rộng (20–50 μm). Điều này khiến nguy cơ cong vênh biến dạng cao hơn rất nhiều.
3. Chất lượng và độ chính xác bề mặt: kiểm soát trực tiếp kích thước hạt trên độ nhám
Độ nhám bề mặt của khuôn là một cách tốt để biết quá trình in diễn ra tốt như thế nào vì nó tỷ lệ thuận với kích thước của các hạt bột. Các hạt càng nhỏ thì bề mặt càng mịn. Tuy nhiên, nếu bột quá mịn, nó sẽ không chảy tốt và có thể khiến bột lan ra không đều, khiến bề mặt trở nên thô ráp hơn. Ví dụ: nếu bạn sử dụng khuôn in bột 316L với D50 là 25 μm, bạn có thể giữ độ nhám bề mặt Ra trong khoảng 8 μm. Nhưng nếu bạn sử dụng bột có D50 là 15 μm thì giá trị Ra sẽ vượt quá 15 μm do các hạt dính vào nhau.
Khi chọn kích thước hạt cho các khuôn có kết cấu phức tạp (như các kênh làm mát phù hợp), bạn cần tìm sự dung hòa giữa độ chính xác và tính dễ sử dụng. Một công ty sản xuất khuôn cho ô tô đã có thể tạo ra các hình dạng chính xác với khẩu độ tối thiểu 0,5mm bằng cách sử dụng bột thép già martensitic có kích thước hạt 30–60 μm. Họ cũng đảm bảo rằng độ nhám Ra của thành trong của đường thủy nhỏ hơn hoặc bằng 10 μ m.
2, Điều chỉnh kích thước hạt của các quy trình chung: nhu cầu khác nhau đối với SLM và EBM
1. Quy trình SLM: sự kết hợp giữa kích thước hạt nhỏ và độ chính xác cao
Kỹ thuật SLM sử dụng tia laser làm nguồn năng lượng và đường kính của điểm tập trung thường nằm trong khoảng từ 50 đến 100 μm. Vì vậy, bạn cần chọn loại bột-hạt mịn (15–53 μm) phù hợp với kích thước của vết bẩn. Các hạt mịn có thể nhanh chóng hấp thụ năng lượng laser và tạo ra một bể tan chảy đồng nhất, nhưng lượng oxy phải được giữ ở mức dưới 150 ppm để tránh tích tụ oxit. Ví dụ: khi chế tạo khuôn cho bộ phận cấy ghép chỉnh hình bằng hợp kim titan, bột TC4 có kích thước hạt 20–45 μm và nồng độ oxy 80 ppm có thể đáp ứng các tiêu chuẩn về độ chính xác cao-về dung sai khẩu độ ± 0,02 mm và độ nhám bề mặt Ra < 5 μm.
2. Quy trình EBM: tìm sự dung hòa giữa kích thước hạt lớn và hiệu quả cao.
Phương pháp EBM sử dụng chùm tia điện tử làm nguồn năng lượng. Đặc tính phân bố mật độ năng lượng của nó tốt hơn cho việc nấu chảy các hạt thô (53–150 μm). Các hạt thô có thể làm giảm số lượng lớp bột, giúp in nhanh hơn và giảm ứng suất dư. Khi một công ty động cơ hàng không nào đó sử dụng EBM để chế tạo khuôn đĩa tuabin hợp kim nhiệt độ cao-làm bằng niken, công ty đó sẽ chọn bột có các hạt có kích thước từ 60 đến 105 μm. Biến dạng cong vênh được giữ ở mức 0,1mm ở nhiệt độ làm nóng trước 700 độ và tốc độ in nhanh hơn ba lần so với SLM.
3. Quy trình LENS: phù hợp với kích thước của các hạt và độ ổn định của việc cấp bột
Kỹ thuật LENS (Laser Near Clean Forming) sử dụng phương pháp cấp bột đồng trục. Để đảm bảo việc cấp bột ổn định, phải chọn bột thô có kích thước hạt từ 105 đến 180 μm. Các hạt thô có thể giúp ống cấp bột không bị tắc, nhưng tốc độ quét (600–1000 mm/s) cần được đặt ở mức phù hợp để tránh lỗi nung chảy không hoàn toàn. Một công ty sửa chữa khuôn cụ thể đã sử dụng công nghệ LENS để sửa khuôn-đúc khuôn, sử dụng bột thép H13 với các hạt có kích thước 120–150 μ m. Với công suất laser 1000W và tốc độ quét 800mm/s, cường độ liên kết luyện kim giữa lớp sửa chữa và chất nền được tìm thấy ít nhất là 400MPa.
3,Chiến lược tối ưu hóa kích thước hạt: kiểm soát hoàn toàn quy trình từ chuẩn bị đến-sau xử lý
1. Pha chế bột: lựa chọn giữa công nghệ phun khí dung và công nghệ PREP
Nguyên tử hóa khí (GA) hiện là cách phổ biến nhất để tạo ra bột vì nó rẻ và hoạt động tốt. Tuy nhiên, nó thường tạo ra bột vệ tinh (các hạt nhỏ bám trên bề mặt các hạt lớn hơn) và bột rỗng, làm giảm chất lượng bản in. Quá trình nguyên tử hóa điện cực quay plasma (PREP) có thể tạo ra các loại bột chất lượng cao-với độ cầu trên 98% và hàm lượng bột vệ tinh dưới 0,5% bằng cách nấu chảy kim loại bằng các điện cực quay tốc độ cao-. Tuy nhiên, thiết bị đắt tiền. Một nhà sản xuất khuôn cao cấp-đã cải thiện tuổi thọ mỏi của bột 316L được tạo ra bằng quy trình PREP từ 100.000 chu kỳ lên 500.000 chu kỳ.
2. Sàng lọc theo kích thước hạt: hai-sàng lọc giai đoạn và tối ưu hóa sự phân cấp
Có thể sử dụng hai-sàng lọc giai đoạn (chẳng hạn như sàng 30 μ m và 53 μ m) để thu được bột có phân bố kích thước hạt hẹp. Điều này ngăn chặn sự lan rộng bột không đồng đều xảy ra khi các hạt thô và nhỏ được trộn lẫn với nhau. Bằng cách kết hợp bột với các kích cỡ hạt khác nhau, bạn có thể cải thiện việc phân loại bằng cách tăng mật độ khối. Ví dụ, trộn 20% bột mịn 10–20 μm với 80% bột thô 30–50 μm có thể tăng mật độ khối từ 4,2g/cm³ lên 4,8g/cm³.
3. Sau khi xử lý: ép đẳng tĩnh nóng và đánh bóng bề mặt
Ép đẳng tĩnh nóng (HIP) có thể lấp đầy các lỗ trên khuôn và nâng mật độ lên hơn 99,9%. Theo một nghiên cứu, độ bền mỏi của khuôn Ti6Al4V đã được xử lý bằng HIP cao hơn 40% so với khuôn chưa được xử lý. Đánh bóng bề mặt có thể làm cho nó thậm chí còn mịn hơn. Ví dụ: công nghệ đánh bóng điện phân có thể giảm độ nhám bề mặt của khuôn từ Ra10 μm xuống Ra0,2 μm, đủ tốt cho-khuôn quang học cao cấp và các mục đích sử dụng khác.