Xử lý nhiệt có thể cải thiện hiệu suất mỏi của các bộ phận in 3D kim loại không?

一, Vấn đề chính về hiệu suất mỏi là các bộ phận in 3D có lỗi ngay từ khi sinh ra.
Các vấn đề về hiệu suất mỏi của in 3D kim loại xuất phát từ cách nó được tạo ra. Lấy hợp kim titan (Ti-6Al-4V) làm ví dụ, phương pháp nấu chảy bột (PBF) nhanh chóng làm tan chảy bột kim loại và sau đó đông cứng lại. Điều này gây ra các vấn đề sau:
Tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô: Các hạt chính có cấu trúc dạng cột thô, có nhiều pha ở gần mép hạt, tạo điều kiện dễ dàng hình thành các vết nứt mỏi.
Lỗ và khe hở: Nếu bột không kết dính hoàn toàn hoặc khí hòa tan, độ xốp bên trong có thể cao tới 0,5% đến 2%, làm giảm đáng kể giới hạn mỏi.
Ứng suất dư: Ứng suất kéo do làm nguội nhanh có thể bằng 50% đến 70% cường độ chảy của vật liệu, làm tăng tốc độ phát triển của các vết nứt.
Viện Kim loại, Viện Khoa học Trung Quốc, phát hiện ra rằng độ bền mỏi do căng thẳng của hợp kim titan in 3D điển hình chỉ là 475 MPa, thấp hơn nhiều so với mức 900 MPa khi được rèn. Điều này chủ yếu là do lỗ chân lông và kết cấu thô ráp gây ra các vết nứt.
2, Con đường của công nghệ xử lý nhiệt đi từ việc loại bỏ các khiếm khuyết đến làm cho tổ chức trở nên tốt hơn.
Bằng cách quản lý nhiệt độ, thời gian và tốc độ làm mát, xử lý nhiệt đáp ứng ba mục tiêu chính:
1. Loại bỏ khuyết điểm bên trong: Công nghệ ép nóng đẳng tĩnh (HIP)
Quá trình HIP sử dụng khí trơ, như argon, để di chuyển áp suất ở nhiệt độ rất cao (900–1250 độ) và áp suất rất cao (100–200 MPa). Điều này làm cho vật liệu thay đổi hình dạng và bịt kín mọi lỗ hổng bên trong nó. Ví dụ:
Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, GE Aviation đã sử dụng SLM để in các cánh tuabin Inconel 718 và sau đó là HIP để xử lý chúng. Điều này làm giảm độ xốp từ 0,8% xuống 0,02% và tăng gấp ba lần tuổi thọ mỏi.
Cải tiến hợp kim titan: Một doanh nghiệp ở Trùng Khánh đã sử dụng phương pháp xử lý HIP để in 3D Ti-6Al-4V. Điều này đã nâng giới hạn mỏi từ 550 MPa lên 900 MPa, giống như điều kiện rèn và làm cho vật liệu ít dị hướng hơn nhiều.
2. Công nghệ kết tinh lại định hướng được sử dụng để làm cho kích thước hạt đồng đều hơn và cấu trúc vi mô đồng đều hơn.
Quy trình tái kết tinh theo hướng của MIT kiểm soát độ dốc nhiệt độ (ví dụ: vẽ ở tốc độ 2,5 mm/h ở 1235 độ) để tạo ra các cấu trúc tinh thể dạng cột bằng cách làm cho các hạt phát triển theo một hướng nhất định. Công nghệ này:
Để ngăn chặn hiện tượng rão, hãy sắp xếp các tinh thể dạng cột có trục ứng suất cao nhất, ngăn ranh giới hạt trượt ở nhiệt độ cao và tăng gấp đôi tuổi thọ rão của hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken.
Tăng cường khả năng chống mỏi: Khi sử dụng các cánh tuabin khí, việc loại bỏ các hạt thô và các khuyết tật lệch vị trí sẽ làm tăng 60% khả năng chống lại sự bắt đầu của các vết nứt mỏi.
3. Kiểm soát sự thay đổi pha: dung dịch rắn được xử lý lão hóa
Đối với các vật liệu như hợp kim nhôm, việc xử lý bằng dung dịch (như giữ ở nhiệt độ 540 độ trong 2 giờ) sẽ phá vỡ giai đoạn gia cố. Sau đó, xử lý lão hóa (như giữ ở 155 độ trong 8 giờ) tạo ra các kết tủa có kích thước nano (như pha θ ').
Cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai: Sau khi xử lý nhiệt T6, cường độ chảy của hợp kim nhôm F357 tăng từ 280 MPa lên 380 MPa, nhưng độ giãn dài vẫn giữ nguyên ở mức 12%.
Quy trình URQ-HIP của Quintus Technologies kết hợp dung dịch rắn và xử lý{{1} áp suất cao để giữ cho các lỗ chân lông không mở lại, giúp hợp kim nhôm F357 có tuổi thọ mỏi dài hơn so với vật đúc tiêu chuẩn MMPDS.
3, Thực hành Kỹ thuật: Chuyển từ Phòng thí nghiệm sang Công nghiệp hóa
1. Lĩnh vực hàng không vũ trụ
Siemens sử dụng SLM để in các lưỡi hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken. Sau đó, những cánh này được xử lý bằng HIP và kết tinh lại theo hướng để bổ sung các kênh làm mát phức tạp, giúp tuabin hoạt động hiệu quả hơn 5% và sử dụng ít nhiên liệu hơn 3%.
Các bộ phận kết cấu nhẹ: Boeing 787 có các giá đỡ bằng hợp kim titan in 3D-được nung nóng hai lần (HIP+lão hóa) để giúp chúng cứng hơn 40% và nhẹ hơn 30%.
2. Ngành thiết bị y tế
Máy hút chân không Johnson&Johnson Medical ủ các khớp hông in 3D để loại bỏ ứng suất dư trên bề mặt. Sau đó, họ sử dụng phương pháp đánh bóng hóa học để làm cho bề mặt mịn hơn đến Ra0,8 μm và giúp bộ phận cấy ghép có tuổi thọ bền hơn 20 năm.
Thiết kế chống mỏi: Kỹ thuật NAMP của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (điều chỉnh từng bước khiếm khuyết và mô{1}}theo{2}}bước) đã nâng độ bền mỏi khi kéo của bộ cấy Ti-6Al-4V từ 475 MPa lên 978 MPa, mức cao nhất trên thế giới.
3. Chủ đề thiết bị năng lượng
Sửa chữa tuabin khí: Nhóm MIT đã sửa chữa buồng đốt bằng hợp kim làm từ niken-được in 3D bằng cách sử dụng phương pháp xử lý tái kết tinh trực tiếp. Cách xử lý này giúp buồng có thể chịu được ứng suất 200 MPa ở nhiệt độ cao 650 độ và giảm 80% tốc độ rão.
Các bộ phận của năng lượng hạt nhân: Tập đoàn EDF ở Pháp sử dụng phương pháp xử lý HIP cho các mối nối ống thép không gỉ in 3D. Điều này giúp loại bỏ các sai sót bên trong và làm cho các mối nối có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thông qua xử lý bằng dung dịch nhằm đáp ứng các quy định an toàn hạt nhân.