Xử lý nhiệt có thể cải thiện độ bền của các bộ phận in 3D kim loại không?

1. Nguyên lý công nghệ xử lý nhiệt: thay đổi cấu trúc vi mô thành tính chất vĩ mô
Bằng cách nung nóng, cách điện, làm mát và làm những việc khác, xử lý nhiệt làm thay đổi cấu trúc tinh thể, thành phần pha và sự phân bố khuyết tật của vật liệu kim loại, giúp cải thiện tính chất cơ học của chúng. Điều quan trọng nhất về xử lý nhiệt cho vật thể in 3D kim loại là:
Giảm căng thẳng dư thừa
Trong quá trình in 3D, vật liệu trải qua các chu kỳ nóng chảy và đông đặc nhanh chóng, điều này để lại ứng suất dư bên trong các bộ phận. Những ứng suất này có thể làm cho các bộ phận bị cong, gãy hoặc hỏng do mỏi. Liệu pháp ủ là làm nóng các bộ phận trên nhiệt độ mà chúng có thể kết tinh lại và sau đó làm nguội chúng từ từ. Điều này có thể làm cho các hạt phục hồi và kết tinh lại, giúp giải phóng ứng suất bên trong các bộ phận. Ví dụ: một công ty vận tải đường sắt ở Chu Châu đã sử dụng phương pháp ủ chân không để chuẩn bị các bộ phận truyền động bằng hợp kim titan in SLM-. Điều này làm giảm ứng suất dư xuống 30% giá trị ban đầu và làm cho các bộ phận có kích thước ổn định hơn nhiều.
Tinh chế và trộn ngũ cốc
Khi các mảnh in 3D nguội quá nhanh, chúng có thể có các hạt thô và hướng không đồng đều, khiến vật liệu yếu hơn. Bằng cách điều chỉnh tốc độ làm nguội, quá trình xử lý chuẩn hóa có thể làm cho kích thước hạt nhỏ hơn 50% đến 70% so với trước đây và nó cũng có thể ngăn chặn sự phân tách thành phần. Ví dụ: trong ngành hàng không vũ trụ, quá trình xử lý chuẩn hóa thường được sử dụng để cải thiện cấu trúc hạt của các bộ phận hợp kim nhiệt độ cao-Inconel 718, giúp tăng cường độ chảy của chúng từ 15% đến 20%.
Lượng mưa trong giai đoạn tăng cường
Bằng cách điều khiển nhiệt độ và thời gian, quá trình xử lý lão hóa khuyến khích các nguyên tử chất tan kết hợp với nhau để tạo ra các pha tăng cường phân tán (như pha và pha '), khiến vật liệu cứng hơn nhiều. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Monash ở Úc đã lão hóa hợp kim titan Beta{1}}C được in bằng SLM ở góc 480 độ. Độ bền kéo cuối cùng là 1611 MPa, đây là kỷ lục mới về độ bền riêng của kim loại in 3D. Cơ chế tăng cường là tạo ra-kết tủa nano đôi mật độ cao.
Kiểm soát hoàn toàn hiệu suất cơ học
Quá trình tôi và tôi (tôi bằng-nhiệt độ cao) sử dụng phép biến đổi martensitic và tôi làm mềm để tìm sự cân bằng giữa độ bền cao và độ dẻo dai tốt ở các bộ phận. Sau khi được tôi và tôi luyện, thép không gỉ 17-4PH do SLM sản xuất có độ bền kéo là 1035MPa, giới hạn chảy là 860MPa và độ giãn dài khoảng 10%. Điều này làm cho nó đủ chắc chắn cho các bộ phận kết cấu cần chịu được nhiều trọng lượng.
2. Thực tiễn công nghiệp: Những ứng dụng mới của xử lý nhiệt ở những khu vực quan trọng
Lĩnh vực hàng không vũ trụ
Cánh động cơ máy bay, buồng đốt và các bộ phận khác cần có khả năng xử lý nhiệt độ, áp suất và ứng suất rất cao. Điều này có nghĩa là vật liệu được sử dụng để làm ra chúng phải rất bền. GE Aviation in vòi phun nhiên liệu Inconel 718 bằng công nghệ SLM. Sau đó, họ sử dụng phương pháp ép đẳng tĩnh nóng (HIP) và xử lý lão hóa dung dịch để loại bỏ các lỗ bên trong (mật độ Lớn hơn hoặc bằng 99,9%), giúp các bộ phận bền hơn 40% ở nhiệt độ 650 độ. Nó đã hoạt động tốt để tạo ra nhiều động cơ LEAP.
Lĩnh vực thiết bị y tế
Điều quan trọng là cấy ghép chỉnh hình phải chắc chắn và an toàn cho cơ thể. Johnson & Johnson Medical đã chế tạo khớp hông Ti6Al4V bằng SLM và sau đó sử dụng phương pháp ủ chân không để loại bỏ ứng suất dư trên bề mặt. Đánh bóng bằng hóa chất cũng được sử dụng để làm phẳng bề mặt xuống Ra0,8 μm, giúp tăng gấp ba lần tuổi thọ mỏi của bộ phận cấy ghép và đáp ứng-nhu cầu lâm sàng lâu dài.
Lĩnh vực vận tải đường sắt
SLM được một công ty ở Chu Châu sử dụng để in các bộ phận của hộp số hợp kim titan. Độ bền kéo của các bộ phận là 850MPa, độ cứng là HRC35, mật độ bên trong là 99,8%, độ chính xác kích thước là ± 0,03mm và tuổi thọ của các bộ phận dài hơn 50% so với các bộ phận đúc truyền thống. Điều này là do các thông số laser (công suất 300W, tốc độ quét 1200mm/s) đã được tối ưu hóa và các bộ phận được xử lý bằng ủ chân không.