Vai trò của xử lý nhiệt giảm căng thẳng trong in 3D kim loại là gì?

1. Phương pháp hình thành và sự nguy hiểm của ứng suất dư
Bản chất vật lý của sự tích tụ ứng suất nhiệt
Chùm tia laser hoặc điện tử tạo ra nhiệt độ rất cao (trên 2000 độ) ở những vị trí nhỏ trong quá trình in 3D kim loại. Điều này làm tan chảy bột kim loại và tạo thành một vũng kim loại nóng chảy. Khi chùm tia laser bị dịch chuyển ra xa, bể nóng chảy nguội đi và cứng lại nhanh chóng, khiến nhiệt độ ở những nơi gần đó thay đổi. Sự giãn nở và co lại nhiệt không đồng đều này tạo ra một trường ứng suất phức tạp bên trong bộ phận. Khi in giá đỡ hàng không bằng hợp kim titan, cấu trúc treo không có bất kỳ sự hỗ trợ nào và ứng suất cục bộ có thể đạt tới 80% cường độ chảy của vật liệu, cao hơn nhiều so với giới hạn chịu lực của vật liệu.
Những vấn đề thường gặp mà căng thẳng gây ra
Nếu lực căng dư không được giải phóng nhanh chóng, nó sẽ gây ra ba vấn đề chính:
Mất ổn định hình học: Khi lực căng quá lớn khiến vật liệu liên kết với chất nền, bộ phận đó sẽ bị uốn cong và thay đổi hình dạng. Một nghiên cứu điển hình về lưỡi động cơ máy bay cho thấy lưỡi dao không được xử lý bị cong 3,2mm sau khi in, lớn hơn nhiều so với dung sai 0,1mm cần thiết để lắp ráp.
Bắt đầu vết nứt: Vị trí nơi lực căng tích tụ có thể là nơi vết nứt bắt đầu. Khi in đĩa tuabin hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken, các bộ phận chưa được xử lý có tỷ lệ xuất hiện vết nứt là 42%, nhưng sau khi xử lý nhiệt, tỷ lệ này giảm xuống dưới 2%.
Suy giảm hiệu suất: Ứng suất dư có thể rút ngắn tuổi thọ của vật liệu. Các thử nghiệm đã chứng minh rằng trạng thái chưa được xử lý của các thành phần thép không gỉ 316L giúp giảm 60% tuổi thọ mỏi ở chu kỳ cao so với điều kiện-xử lý nhiệt sau.
2. Lý thuyết kỹ thuật và quy trình thực hiện xử lý nhiệt giảm ứng suất
Cách thể chất để buông bỏ căng thẳng
Xử lý nhiệt giảm ứng suất có nghĩa là làm nóng bộ phận đến một phạm vi nhiệt độ nhất định (thường là 0,4 đến 0,6 lần điểm nóng chảy) để làm cho vật liệu rất dẻo. Ở nhiệt độ này, khả năng chuyển động của các nguyên tử được cải thiện và những sai sót nhỏ như sai lệch và lỗ trống được sắp xếp lại, từ từ giải phóng ứng suất bên trong bằng biến dạng dẻo nhỏ. Lấy hợp kim Inconel 718 gốc niken{4}}làm ví dụ, sau 4 giờ cách nhiệt ở nhiệt độ 620 độ, ứng suất dư của nó có thể giảm từ 380 MPa xuống dưới 50 MPa.
Kiểm soát chính xác các thông số quá trình
Những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình xử lý nhiệt giảm căng thẳng là tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ của vật liệu cách nhiệt, thời gian cách nhiệt và cách nó nguội đi:
Tốc độ làm nóng: Bạn không nên làm nóng quá nhanh vì điều này có thể tạo thêm căng thẳng. Tốc độ gia nhiệt của các bộ phận hợp kim nhôm phải được giữ ở mức nhỏ hơn hoặc bằng 10 độ / phút.
Nhiệt độ cách nhiệt: Thường được thiết kế để thấp hơn nhiệt độ hình thành tinh thể. Phạm vi nhiệt độ bình thường để xử lý nhiệt hợp kim titan Ti6Al4V là 593 đến 649 độ C. Đây là cách tốt nhất để giảm căng thẳng và cải thiện cấu trúc hạt.
Cách làm mát: Sử dụng làm mát lò hoặc làm mát tốc độ có kiểm soát để tránh căng thẳng thêm do làm mát quá nhanh. Một ví dụ về cấy ghép y tế chứng minh rằng kỹ thuật làm mát từng giai đoạn (600 độ → 400 độ → nhiệt độ phòng) có thể điều chỉnh sự biến dạng của các bộ phận trong phạm vi 0,05mm.
Lợi ích của môi trường chân không
Xử lý nhiệt chân không đã trở thành lựa chọn tốt nhất cho-sản xuất cao cấp vì nó loại bỏ nguy cơ oxy hóa và nhiễm bẩn. Các thử nghiệm của Công ty lò chân không TAV đã cho thấy rằng các bộ phận bằng thép không gỉ 316L được xử lý nhiệt trong chân không có bề mặt mịn hơn 40% và khả năng chống ăn mòn tốt hơn 25% so với các bộ phận được xử lý nhiệt trong không khí. Ngoài ra, bầu không khí chân không có thể ngăn chặn các vấn đề như hiện tượng giòn do hydro, khiến nó trở nên hoàn hảo cho ngành công nghiệp máy bay, nơi độ tinh khiết của vật liệu là rất quan trọng.
3. Tính hữu ích của việc xử lý nhiệt giảm căng thẳng trong thế giới thực và trong kinh doanh
Đảm bảo hiệu suất trong ngành hàng không vũ trụ
Xử lý nhiệt giảm ứng suất là một bước quan trọng trong việc chế tạo cánh động cơ hàng không vì nó đảm bảo rằng các bộ phận đều đáng tin cậy. GE Aviation đã cải tiến kỹ thuật xử lý nhiệt để giảm ứng suất dư trong các lưỡi hợp kim làm từ niken{1}}đơn tinh thể tới 75% và giúp chúng có tuổi thọ cao hơn gấp ba lần. Tuổi thọ mỏi chu kỳ thấp của đĩa tuabin trong một loại động cơ phản lực cánh quạt nhất định đã tăng từ 500 chu kỳ lên 2000 chu kỳ sau khi xử lý nhiệt. Điều này đáp ứng nhu cầu của một thiết kế có tuổi thọ lâu dài.
Cải thiện khả năng tương thích sinh học của cấy ghép y tế
Cấy ghép chỉnh hình làm bằng hợp kim titan cần phải vừa rất chắc chắn vừa rất linh hoạt. Xử lý nhiệt giảm căng thẳng có thể làm giảm mô đun đàn hồi của mô cấy và loại bỏ căng thẳng khi xử lý, điều này có thể giúp làm giảm "tác dụng che chắn căng thẳng". Bằng chứng thực nghiệm chỉ ra rằng mô đun của bộ cấy Ti6Al4V sau-xử lý nhiệt giảm từ 110 GPa xuống 85 GPa, căn chỉnh chặt chẽ hơn với mô xương người (10-30 GPa) và tăng cường đáng kể sự tích hợp xương.
Sản xuất khuôn mẫu với điều khiển chính xác
Khi in 3D thép khuôn, xử lý nhiệt giảm ứng suất có thể ngăn chặn biến dạng nhiệt xảy ra trong quá trình in và đảm bảo khoang khuôn có kích thước phù hợp. Một trường hợp khuôn ô tô nhất định chỉ ra rằng sau khi xử lý nhiệt, dung sai kích thước của khoang khuôn sẽ tăng từ ± 0,1mm đến ± 0,02mm, đây là mức cần thiết cho quá trình ép phun chính xác. Đồng thời, xử lý nhiệt có thể làm cho khuôn có khả năng chống mài mòn cao hơn, giúp tăng gấp đôi hoặc gấp ba tuổi thọ của khuôn.