Ưu điểm của quá trình xử lý HIP trong quá trình-xử lý hậu kỳ in 3D kim loại là gì?

1. Loại bỏ các khuyết điểm bên trong: đi từ “rỗng” đến “không khuyết tật”
Sự đông đặc không cân bằng do làm nguội nhanh có thể tạo ra các lỗ nhỏ trong quá trình in 3D kim loại. Mặt khác, việc tách rời các cấu trúc hỗ trợ hoặc bột không tan chảy hoàn toàn có thể gây ra hiện tượng co ngót vĩ mô. Những sai sót này có thể gây ra các vết nứt, làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi của các bộ phận. Công nghệ HIP khắc phục lỗi bằng cách sử dụng các phương pháp sau:
Đóng lỗ chân lông và kết hợp kim loại
Khi vật liệu kim loại được nung nóng đến nhiệt độ cao (thường gấp 0,5 đến 0,8 lần điểm nóng chảy của vật liệu) và chịu áp lực lớn (100 đến 200 MPa), chúng trở nên rất dẻo. Áp suất khí làm cho kim loại xung quanh lỗ chân lông thay đổi hình dạng, tiếp xúc với nhau và hình thành các liên kết luyện kim. Điều này làm cho thể tích lỗ chân lông giảm dần cho đến khi biến mất. Ví dụ: sau khi xử lý HIP, độ xốp của hợp kim nhiệt độ cao IN718-được sản xuất bằng kỹ thuật SLM đã tăng từ 0,8% xuống 0,02%, khiến nó có mật độ dày đặc 99,99%. Đây là điều mà ngành hàng không vũ trụ cần để đảm bảo vật liệu đáng tin cậy.
Chữa lành các vết nứt nhỏ
Ứng suất nhiệt trong in 3D kim loại có thể gây ra các vết nứt nhỏ. Hoạt động ủ nhiệt-cao của xử lý HIP giúp loại bỏ ứng suất dư và môi trường áp suất-cao làm cho đầu vết nứt uốn cong dẻo, giúp đóng vết nứt và tạo cấu trúc ranh giới hạt ổn định. Dữ liệu thực nghiệm chỉ ra rằng xử lý HIP có thể làm giảm 90% mật độ vết nứt của thép không gỉ 316L và tăng cường độ bền khi gãy lên 30%.
Tinh chế các loại ngũ cốc và làm cho cấu trúc vi mô đồng đều hơn
Quá trình-nhiệt độ cao của HIP cũng giống như quá trình xử lý ủ, có thể loại bỏ cấu trúc chưa được làm mát hoặc pha siêu bền hình thành khi SLM nguội đi nhanh chóng. Ví dụ, sau khi xử lý HIP, các tinh thể cột thô của hợp kim Ti6Al4V chuyển thành tinh thể mịn trục đều và kích thước hạt tăng từ 50 μm đến 10 μm. Điều này làm cho vật liệu linh hoạt hơn và có khả năng chống mỏi.
2. Cải thiện hiệu suất cơ học: tìm sự cân bằng phù hợp giữa độ bền và độ dẻo dai
Quá trình xử lý HIP có hai tác động đến đặc tính cơ học của các bộ phận in 3D kim loại:
Sức mạnh và độ dẻo đi cùng nhau tốt hơn.
Độ bền của vật liệu có thể giảm đi một chút (thường từ 5% đến 15%) sau khi xử lý HIP, nhưng các chỉ số về độ dẻo của nó, như độ giãn dài, lại tăng lên rất nhiều. Ví dụ, sau khi xử lý HIP, độ bền kéo của hợp kim nhôm AlSi10Mg được sản xuất bằng kỹ thuật SLM đã giảm từ 420MPa xuống 380MPa, nhưng độ giãn dài tăng từ 8% lên 15%, rất tốt cho các bộ phận kết cấu nhẹ trong ô tô.
Một sự cải thiện đáng kể về hiệu suất chống mỏi
Nguyên nhân chính khiến vết nứt mỏi phát triển là do những sai sót bên trong. Bằng cách loại bỏ các lỗ chân lông và vết nứt nhỏ, việc xử lý HIP làm tăng đáng kể tuổi thọ mỏi của các bộ phận. Ví dụ: tuổi thọ mỏi ở nhiệt độ-cao của hợp kim IN718 được xử lý bằng HIP ở 650 độ và 690MPa đã tăng từ 50 giờ không xử lý lên 173 giờ. Điều này đáp ứng yêu cầu về tuổi thọ của động cơ máy bay GE đối với các bộ phận thiết yếu.
Loại bỏ dị hướng
Chất lượng liên kết giữa các lớp của in 3D kim loại có thể khiến các tính chất cơ học khác nhau theo các hướng khác nhau. Vật liệu hoạt động theo cùng một cách theo mọi hướng khi được xử lý bằng HIP, sử dụng áp suất đồng đều 360 độ. Ví dụ, sự khác biệt về hệ số ma sát hướng tâm và trục giữa các quả bóng gốm silicon nitride được xử lý bằng HIP nhỏ hơn 5%, tốt hơn nhiều so với các phương pháp thiêu kết tiêu chuẩn.
3. Mở rộng phạm vi ứng dụng: Đi từ “Có sẵn” đến “Đáng tin cậy”
Xử lý HIP hỗ trợ về mặt kỹ thuật khi sử dụng công nghệ in 3D kim loại trên quy mô rộng trong các lĩnh vực có nhu cầu lớn.
Lĩnh vực hàng không vũ trụ
Cánh tuabin, buồng đốt và các bộ phận khác của động cơ máy bay phải có khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao và ứng suất cao. Xử lý HIP có thể loại bỏ các vết nứt do ứng suất nhiệt xảy ra khi quá trình SLM nguội đi quá nhanh và cũng có thể làm cho vật liệu hoạt động tốt hơn ở-nhiệt độ cao. Ví dụ: Rolls Royce sử dụng đĩa tuabin hợp kim nhiệt độ cao-được xử lý bằng niken-dựa trên-hIP để tăng nhiệt độ vận hành từ 1200 lên 1400 độ C và tỷ lệ lực đẩy-trên-trọng lượng lên 20%.
Lĩnh vực cấy ghép y tế
Cấy ghép chỉnh hình cần phải chắc chắn và an toàn cho cơ thể. Xử lý HIP có thể loại bỏ sự phân tách pha alpha trong hợp kim Ti6Al4V, giảm khả năng các ion kim loại rò rỉ ra ngoài và làm cho vật liệu tồn tại lâu hơn khi chịu ứng suất. Bằng chứng lâm sàng chỉ ra rằng tỷ lệ thất bại của cấy ghép hông phải sử dụng HIP đã giảm từ 3% xuống 0,5% sau một thập kỷ.
Ngành năng lượng và vận tải
Các bộ phận như bình áp suất của lò phản ứng hạt nhân và vỏ cảm biến dưới biển sâu-cần có khả năng xử lý các điều kiện rất khắc nghiệt. Gốm zirconia được xử lý-HIP có thể chịu được áp suất cao 110MPa ở vùng biển sâu và phần tử nhiên liệu được phủ cacbua silic-có thể duy trì ổn định ở nhiệt độ cao 1200 độ. Những vật liệu này rất quan trọng đối với thế hệ công nghệ điện hạt nhân thứ tư.