Có sự khác biệt đáng kể nào về hiệu suất của các bộ phận in 3D kim loại trước và sau khi xử lý nhiệt không?

1. Cấu trúc vi mô: sự thay đổi về chất lượng từ sai sót sang mật độ
Quá trình in 3D kim loại bao gồm việc làm nóng và làm mát vật liệu nhanh chóng, điều này gây ra rất nhiều sai sót nhỏ xảy ra bên trong vật thể. Ví dụ: trong phương pháp nấu chảy bột bằng laser (LPBF), bể nóng chảy nguội đi nhanh chóng, tạo ra các tinh thể dạng cột thô có độ lệch mật độ- cao và các lỗ nhỏ ở ranh giới hạt. Những sai sót này không chỉ làm giảm mật độ của vật liệu (thường là 98%–99,5%) mà còn gây ra các vết nứt hình thành, khiến các bộ phận trở nên yếu hơn về chất lượng cơ học.
Xử lý nhiệt cải thiện cấu trúc vi mô bằng cách thực hiện như sau:
Làm đặc: Xử lý ép đẳng tĩnh nóng (HIP) hoạt động ở nhiệt độ cao (thường là 0,7- lần điểm nóng chảy của vật liệu) và áp suất cao (100-200MPa) để đóng các lỗ chân lông và vết nứt nhỏ bên trong bộ phận. Ví dụ, sau khi xử lý HIP, mật độ các bộ phận hợp kim ở nhiệt độ cao của một động cơ hàng không nhất định đã tăng từ 99,2% lên 99,99% và các bộ phận này có thể tồn tại lâu hơn gấp 5 lần trước khi hỏng.
Tinh chế hạt: Quá trình kết tinh lại trong quá trình ủ có thể làm cho kích thước hạt nhỏ hơn. Ví dụ, ủ các bộ phận được in bằng hợp kim nhôm ở nhiệt độ 350 độ trong 2 giờ giúp giảm kích thước hạt từ 100 μm xuống 20 μm và tăng cường độ năng suất lên 15%.
Kiểm soát sự thay đổi pha: Khi tôi và tôi luyện thép, bạn có thể tạo ra cấu trúc hai pha bao gồm martensite và austenite dư. Ví dụ, sau khi được làm nguội ở 1050 độ và được tôi luyện ở 200 độ, độ cứng của các bộ phận in bằng thép khuôn đạt 58HRC và chúng có khả năng chống mài mòn cao gấp ba lần so với các bộ phận chưa được xử lý.
2, Tính chất cơ học: từ mong manh đến mạnh mẽ
Xử lý nhiệt rất quan trọng để cải thiện tính chất cơ học của các mặt hàng in 3D bằng kim loại. Ví dụ: khi xem xét hợp kim-nhiệt độ cao GH4169, các bộ phận được in có độ bền kéo và cường độ chảy thấp hơn một chút so với các bộ phận được rèn, nhưng độ giãn dài khi đứt và độ co theo mặt cắt-tệ hơn nhiều. Sau khi xử lý nhiệt thông thường (ủ giảm căng thẳng và ủ đồng nhất), chất lượng độ bền kéo của nó ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao đáp ứng hoặc vượt qua các tiêu chuẩn rèn. Độ bền nhiệt độ-cao của nó cũng vượt trội hơn so với các bộ phận được rèn.
Sự chênh lệch về hiệu suất được thể hiện ở:
Tăng cường độ bền: Quy trình làm nguội tạo ra cấu trúc martensitic bằng cách làm nguội nó nhanh chóng, điều này khiến nó khó hơn nhiều. Ví dụ: sau khi tôi, độ bền kéo của các bộ phận được in làm bằng hợp kim nhiệt độ cao-trên nền niken{2}}tăng từ 460MPa lên 585MPa.
Độ dẻo dai tốt hơn: Quá trình ủ có thể loại bỏ căng thẳng và làm cho mọi thứ trở nên cứng rắn hơn. Ví dụ, sau khi tôi và tôi ở nhiệt độ 550 độ, độ bền va đập của phần in của trục hộp số ô tô đã tăng từ 15J/cm2 lên 35J/cm2.
Tối ưu hóa hiệu suất mỏi: Xử lý nhiệt có thể khắc phục các vấn đề bên trong vật liệu và làm chậm sự lan rộng của các vết nứt mỏi. Sau khi xử lý nhiệt, tuổi thọ mỏi của các bộ phận được in GH4169 ở 650 độ dài hơn 20% so với các bộ phận được rèn.
3. Độ ổn định kích thước: từ uốn cong đến đảm bảo chính xác
Các bộ phận in 3D bằng kim loại có thể thay đổi kích thước sau khi in do giải phóng ứng suất dư hoặc thay đổi cấu trúc vi mô. Điều này có thể khiến việc đặt chúng lại với nhau một cách chính xác trở nên khó khăn hơn. Xử lý nhiệt có thể cải thiện đáng kể độ ổn định kích thước bằng cách làm cho cấu trúc vi mô ổn định hơn và loại bỏ ứng suất.
Ít biến dạng hơn: Việc ủ có thể tạo ra sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa các bộ phận ít hơn và làm cho biến dạng gia công ít hơn. Ví dụ, độ lệch đường kính của phần in của bộ trao đổi nhiệt kênh dòng chảy phức tạp tăng từ ± 0,15 mm đến ± 0,05 mm sau khi ủ.
Độ ổn định lâu dài: Việc xử lý lão hóa có thể loại bỏ dung dịch rắn siêu bão hòa trong vật liệu và giữ cho kích thước của chúng không thay đổi quá nhiều theo thời gian. Chẳng hạn, sau khi ủ ở nhiệt độ 170 độ trong 8 giờ, tốc độ thay đổi kích thước của các bộ phận hợp kim nhôm được in đã giảm từ 0,3% mỗi năm xuống 0,05% mỗi năm.
Thích ứng với các cấu trúc phức tạp: Xử lý nhiệt có thể giúp ngăn ngừa sự tích tụ ứng suất trong quá trình xử lý các cấu trúc phức tạp như cấu trúc có thành mỏng và xốp. Sau khi ủ gấp đôi (700 độ × 2h + 500 độ × 4h), giới hạn mỏi của bộ cấy chỉnh hình bằng hợp kim titan đã tăng từ 450 MPa lên 600 MPa, đủ để hỗ trợ trọng lượng của cơ thể theo thời gian.
4. Yêu cầu về Hiệu suất Đặc biệt: Đột phá phổ biến đến Tùy chỉnh: Xử lý nhiệt cũng có thể mang lại cho các vật thể in 3D bằng kim loại những phẩm chất độc đáo, giúp chúng hữu ích trong nhiều tình huống hơn.
Cải thiện khả năng chống ăn mòn: Xử lý bằng dung dịch rắn có thể hòa tan pha thứ hai trong vật liệu, khiến vật liệu ít bị ăn mòn thông qua các phương tiện điện hóa. Ví dụ, sau khi được xử lý bằng dung dịch ở nhiệt độ 1050 độ, khả năng tạo vết rỗ của các bộ phận in bằng thép không gỉ 316L tăng từ 320mV lên 450mV, rất phù hợp để sử dụng trong điều kiện hàng hải.
Kiểm soát tính chất từ: Xử lý nhiệt có thể thay đổi hướng hạt và ứng suất dư của vật liệu từ mềm để làm cho đặc tính từ của chúng tốt hơn. Ví dụ, sau khi được làm nóng đến 750 độ, độ thấm từ của một bộ phận nhất định của van điện từ tăng 20% ​​và lượng năng lượng sử dụng giảm 15%.
Cải thiện khả năng tương thích sinh học: Cấy ghép y tế cần được làm nóng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm bề mặt và tạo ra màng thụ động. Ví dụ, độ nhám bề mặt Ra của bộ cấy ghép chỉnh hình bằng hợp kim titan đã tăng từ 3,2 μm lên 0,8 μm sau khi rửa bằng axit và ủ ở 500 độ, đồng thời tốc độ tế bào dính vào bộ cấy tăng lên 40%.
5. Một nghiên cứu điển hình: Xử lý nhiệt có thể làm cho các đặc tính của hợp kim CuCrZr tốt hơn nhiều theo cách không mong đợi.
Vì có tính dẫn điện và chất lượng cơ học cao nên hợp kim CuCrZr thường được sử dụng trong các bộ phận của động cơ máy bay. Tuy nhiên, việc tạo ra các cấu trúc phức tạp bằng các phương pháp xử lý thông thường là rất khó và tốn kém. Hợp kim CuCrZr được chế tạo bằng kỹ thuật SLM khá bền (cường độ chảy 411MPa) nhưng dẫn điện không tốt (31% IACS). Sau khi được làm nóng đến 500 độ trong một giờ, độ bền kéo của nó lên tới 585 MPa và độ dẫn điện của nó tăng lên 64% IACS. Điều này tương tự như cách các hợp kim được xử lý thông thường hoạt động tốt. Kịch bản này cho thấy xử lý nhiệt là một bước quan trọng để tận dụng tối đa vật liệu in 3D kim loại.