Các phương pháp xử lý nhiệt phổ biến cho in 3D kim loại là gì?

1. Xử lý ủ: loại bỏ ứng suất còn sót lại và làm cho kích thước ổn định hơn.
Quá trình ủ bao gồm làm nóng bộ phận đến một nhiệt độ nhất định (thường là dưới nhiệt độ kết tinh lại), giữ nó ở đó trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó làm nguội từ từ. Điều này giải phóng ứng suất bên trong vật liệu, tinh chế hoặc kết tinh lại các hạt và cải thiện hiệu suất xử lý cũng như độ ổn định kích thước.
Nơi sử dụng nó:
Giảm căng thẳng: Phương pháp nấu chảy bột bằng laser (SLM) có thể để lại ứng suất dư do nó nguội đi quá nhanh. Ủ có thể giúp giảm mức độ căng thẳng để giữ cho vật liệu không bị uốn cong hoặc tách ra trong quá trình xử lý hoặc sử dụng sau này. Ví dụ, các bộ phận kết cấu máy bay thường được ủ ở nhiệt độ 600–650 độ sau khi in, giúp giảm hơn 80% ứng suất.
Tăng cường độ dẻo: Quá trình ủ sẽ tinh chỉnh kích thước hạt của các bộ phận hợp kim titan được in (chẳng hạn như Ti6Al4V) và tăng độ giãn dài của chúng từ 15% đến 20%, giúp chúng tốt hơn cho các bộ phận cần được tạo hình nguội.
Ổn định kích thước: Các khuôn chính xác hoặc các bộ phận quang học có thể ngăn chặn hiện tượng lệch chiều xảy ra khi lực căng được giải phóng thông qua quá trình ủ, đáp ứng các tiêu chuẩn về độ chính xác cao.
Trong trường hợp chế tạo vòi phun nhiên liệu cho động cơ LEAP, GE Aviation đã sử dụng công nghệ ủ để giảm ứng suất dư của các bộ phận in từ 300MPa xuống dưới 50MPa. Điều này giúp các bộ phận ổn định hơn nhiều ở cài đặt-áp suất cao và nhiệt độ{4}}cao.
2. Xử lý bằng dung dịch và lão hóa: làm cho hợp kim bền hơn
Nguyên tắc của quá trình:
Xử lý dung dịch rắn: Làm nóng hợp kim đến vùng một pha có nhiệt độ-cao- để hòa tan hoàn toàn các nguyên tử chất tan, tạo ra dung dịch rắn siêu bão hòa, sau đó làm nguội nhanh (chẳng hạn như làm nguội bằng nước) để bảo toàn cấu trúc ở nhiệt độ-cao.
Xử lý theo thời gian: Giữ dung dịch rắn siêu bão hòa ở nhiệt độ thấp hơn (thường từ 100 đến 500 độ) để phá vỡ nó và hình thành các pha tăng cường như pha '. Điều này sẽ làm cho vật liệu mạnh hơn và cứng hơn nhiều.
Ví dụ về sử dụng:
Các hợp kim nhiệt độ cao-dựa trên niken-như Inconel 718 cần xử lý bằng dung dịch rắn (980–1010 độ ) và xử lý lão hóa (720 độ × 8h+620 độ × 8h) sau khi in. Chúng có độ bền kéo trên 1500MPa, đủ mạnh cho các đĩa tuabin động cơ máy bay.
Hợp kim nhôm, như AlSi10Mg, cứng hơn 30% sau khi xử lý nhiệt T6 (dung dịch rắn 505 độ + 170 lão hóa độ). Điều này làm cho nó tốt cho các bộ phận kết cấu nhẹ.
Để có được sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền và độ dẻo dai, hợp kim titan Ti6Al4V được xử lý bằng dung dịch rắn (950 độ) và lão hóa (550 độ). Điều này làm cho nó tốt cho cấy ghép chỉnh hình.
Ví dụ, buồng đốt của động cơ Raptor của SpaceX được cấu tạo từ các bộ phận in Inconel 718 vẫn bền bỉ ngay cả khi bị nung nóng đến 2000 độ C trong thời gian dài, giúp có thể sử dụng tên lửa nhiều lần.
3. Ép đẳng nhiệt nóng (HIP): loại bỏ các khuyết tật bên trong và làm cho vật liệu đặc hơn
Nguyên tắc quy trình: Trong HIP, các bộ phận được đặt trong một bình chứa có áp suất cao-và tiếp xúc với khí trơ (như argon) với nhiệt độ cao (thường là 1000–1200 độ ) và áp suất cao (100–200 MPa). Điều này làm cho vật liệu thay đổi hình dạng, đóng các lỗ rỗng và vết nứt nhỏ và đạt mật độ gần như 100%.
Trường hợp sử dụng:
Cánh tuabin và buồng đốt là hai bộ phận quan trọng của máy bay cần có khả năng xử lý nhiệt độ và sức căng rất cao. Việc xử lý HIP có thể khắc phục các vấn đề về liên kết giữa các lớp và làm cho tuổi thọ mỏi dài hơn từ 3 đến 5 lần.
Phương pháp xử lý HIP được sử dụng trên các thiết bị cấy ghép y tế bao gồm cốc ổ cối và thiết bị kết hợp cột sống để đảm bảo vật liệu không có lỗ chân lông-, giảm nguy cơ giải phóng ion kim loại và đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của FDA về khả năng tương thích sinh học.
HIP có thể khắc phục các sự cố do phần đỡ bên trong còn sót lại ở các bộ phận kết cấu phức tạp gây ra, bao gồm cả vòi phun động cơ có kênh làm mát, để đảm bảo chúng hoạt động tốt.
Ví dụ, Siemens Energy sử dụng phương pháp xử lý HIP để chế tạo các cánh tuabin khí. Điều này làm giảm độ xốp của các bộ phận được in từ 0,5% xuống 0,01%, cải thiện hiệu suất rão ở nhiệt độ cao thêm 40% và mang lại tuổi thọ cho lưỡi dao hơn 100.000 giờ.
4. Làm nguội và ủ: tìm sự cân bằng phù hợp giữa độ cứng và độ dẻo dai
Nguyên tắc của quá trình:
Làm nguội: Làm nóng các mảnh đến nhiệt độ nơi chúng biến thành austenite và sau đó làm lạnh nhanh chúng (ví dụ: bằng dầu hoặc nước) để tạo ra cấu trúc martensitic rất cứng.
Ủ: Để phá vỡ martensite, loại bỏ ứng suất làm nguội và làm cho vật liệu cứng hơn, hãy giữ nó ở nhiệt độ thấp hơn (150–650 độ).
Nơi nó có thể được sử dụng:
Thép công cụ: Ví dụ, thép khuôn gia công nóng H13 được tôi ở 1050 độ và được tôi luyện ở 580 độ sau khi in. Nó có độ cứng 52HRC và hiệu suất mỏi nhiệt tăng 50%, lý tưởng cho các khuôn-đúc khuôn.
Làm nguội (1050 độ ) và ủ ở nhiệt độ-thấp (200 độ ) làm cho thép không gỉ, như 316L, bền hơn và có khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt cho các thiết bị hóa học.
Sau khi xử lý bằng dung dịch rắn và lão hóa, thép lão hóa martensitic như 18Ni300 có thể đạt cường độ lên tới 2000MPa. Nó được sử dụng cho các khuôn-có độ chính xác cao hoặc các bộ phận của cấu trúc hàng không vũ trụ.
Boeing sử dụng quy trình tôi luyện để chế tạo các bộ phận của thiết bị hạ cánh bằng hợp kim titan được in 3D. Điều này làm cho chúng bền hơn trước các tác động (35J/cm2) trong khi vẫn giữ được độ bền cao, đó là những gì FAA yêu cầu để được chứng nhận đủ điều kiện bay.
5. Xử lý nhiệt tuần hoàn: cải thiện cấu trúc vi mô của siêu hợp kim
Nguyên lý của quy trình: Cấu trúc vi mô của vật liệu được kiểm soát bằng cách trải qua một số chu trình gia nhiệt và làm mát. Điều này bao gồm việc tinh chỉnh kích thước hạt và làm cho sự phân bổ thành phần đồng đều hơn, điều này tốt cho các siêu hợp kim gốc niken khó gia công.
Khi nào nên sử dụng:
Hợp kim đơn tinh thể CMSX-4: Sau khi in, nó trải qua quá trình xử lý nhiệt nhiều giai đoạn (1280 độ trong 2 giờ, 1120 độ trong 4 giờ và 870 độ trong 24 giờ) để loại bỏ sự phân tách dendrite và làm cho nó hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ cao.
Xử lý nhiệt tuần hoàn có thể cải thiện sự phân bố cacbua và làm cho các hợp kim gốc coban-như Stellite 6 20% có khả năng chống mài mòn cao hơn, giúp chúng phù hợp với bề mặt bịt kín van.
Trong một kịch bản điển hình, Rolls Royce sử dụng phương pháp xử lý nhiệt tuần hoàn để chế tạo đĩa tuabin động cơ máy bay RB3025. Điều này đã tăng tuổi thọ mỏi ở chu kỳ thấp của các bộ phận được in từ 5000 chu kỳ lên 20000 chu kỳ, giúp tạo ra thế hệ động cơ mới.
6. Xu hướng và vấn đề trong ngành
Điều khiển thông minh: Thuật toán AI thay đổi cài đặt xử lý nhiệt một cách nhanh chóng bằng cách theo dõi dữ liệu nhiệt độ và ứng suất trong thời gian thực. Điều này cho phép bạn điều chỉnh chính xác "một lò, một chính sách".
Quy trình tổng hợp: Bằng cách kết hợp xử lý nhiệt với HIP, phủ bề mặt và các quy trình khác, chúng tôi có một giải pháp tích hợp gọi là "in phủ xử lý nhiệt" hoạt động tốt hơn và nhanh hơn.
Khả năng thích ứng của vật liệu: Để làm cho tính năng in 3D trở nên hữu ích hơn, các vật liệu kim loại mới như hợp kim có entropy cao và hợp kim vô định hình cần phải được xử lý nhiệt-theo những cách cải tiến.
Khó
Chi phí: Chi phí đầu tư và vận hành khổng lồ của công nghệ HIP khiến các doanh nghiệp vừa và nhỏ{0}}khó có đủ khả năng chi trả.
Kiểm soát biến dạng: Trong quá trình xử lý nhiệt, các bộ phận kết cấu phức tạp có thể bị cong vênh, do đó thiết kế hỗ trợ cần được cải thiện thông qua mô phỏng.
Thiếu tiêu chuẩn: Ngành không có một bộ quy tắc duy nhất cho quy trình xử lý nhiệt và cần phải có một hệ thống tiêu chuẩn chuỗi toàn diện từ nguyên liệu đến các bộ phận.