Xử lý nhiệt in 3D kim loại có gây biến dạng không?

一, Bản chất kỹ thuật của xử lý nhiệt: Quy định tổ chức và tối ưu hóa hiệu suất
Các vật liệu kim loại được làm nóng, cách điện và làm mát trong quá trình xử lý nhiệt sẽ làm thay đổi cấu trúc vi mô của chúng, giúp cải thiện các đặc tính cơ học của chúng. Trong in 3D kim loại, mục tiêu chính của xử lý nhiệt là:
Loại bỏ ứng suất dư: Khi vật liệu được in, nó sẽ trải qua các chu kỳ làm nóng và làm mát nhanh chóng, khiến mạng bên trong bị uốn cong và tạo ra ứng suất dư. Để giảm bớt sức căng, bộ phận này được nung nóng dưới nhiệt độ kết tinh lại của vật liệu (ví dụ: giữ hợp kim titan ở nhiệt độ 800 độ trong 2 giờ). Điều này làm giãn lưới và giảm nguy cơ biến dạng trong quá trình xử lý hoặc sử dụng sau này.
Cải thiện cấu trúc của hạt: Xử lý bằng dung dịch rắn (như hợp kim nhôm 7075 ở 470 độ) có thể phá vỡ các giai đoạn tăng cường, trong khi xử lý lão hóa (như 120 độ trong 24 giờ) có thể hình thành các pha kết tủa ở kích thước nano, dẫn đến sự gia tăng tổng hợp về sức mạnh và độ dẻo dai. Quá trình này làm cho các hạt nhỏ hơn và ít có khả năng thay đổi thể tích khi pha thay đổi, khiến xu hướng biến dạng thấp hơn.
Khắc phục các vấn đề bên trong: Công nghệ ép đẳng tĩnh nóng (HIP) hiệp đồng nâng cao mật độ vật liệu lên trên 99,9% với sự kết hợp giữa áp suất cao 100-150MPa và nhiệt độ cao 1000-1200 độ, đóng kín các vết nứt vi mô và lỗ rỗ và loại bỏ sự tập trung ứng suất cục bộ do co ngót không đều.
2, Cơ chế biến dạng do xử lý nhiệt là tác động tổng hợp của ứng suất nhiệt và sự thay đổi cấu trúc vi mô.
Mục tiêu của việc xử lý nhiệt là loại bỏ nguy cơ biến dạng, tuy nhiên nếu thực hiện sai, các biến dạng mới vẫn có thể xảy ra. Những cách chính điều này xảy ra là:
Tích tụ ứng suất nhiệt: Khi một bộ phận được làm nóng và làm mát, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên ngoài và bên trong bộ phận làm cho bộ phận đó giãn nở và co lại khác nhau, tạo ra ứng suất nhiệt. Ví dụ: khi các bộ phận có thành mỏng-được làm mát nhanh chóng, bên ngoài sẽ co lại nhanh hơn bên trong. Điều này có thể khiến sản phẩm bị biến dạng hoặc xoắn.
Thay đổi về khối lượng chuyển đổi tổ chức: Những thay đổi về mật độ vật chất trong quá trình chuyển pha khiến khối lượng co lại hoặc tăng lên. Ví dụ: khi quá trình biến đổi martensitic xảy ra, âm lượng sẽ lớn hơn và nếu quá trình giải phóng ứng suất không diễn ra suôn sẻ, nó có thể tạo ra các vết nứt.
Cấu trúc hỗ trợ ảnh hưởng như thế nào: Khu vực nơi hỗ trợ in và liên kết chất nền có thể trở thành điểm tập trung ứng suất trong quá trình xử lý nhiệt. Nếu thiết kế giá đỡ không đúng, nó có thể bị cong khi tháo giá đỡ ra sau khi xử lý nhiệt do giải phóng ứng suất ở một khu vực.
3, Chiến lược kiểm soát biến dạng: Cải tiến quy trình và đưa ra công nghệ mới
Để cân bằng tác động của xử lý nhiệt và nguy cơ biến dạng, ngành đã nghĩ ra một kế hoạch quản lý có hệ thống xem xét ba lĩnh vực: vật liệu, quy trình và thiết bị:
1. Lựa chọn nguyên liệu và chuẩn bị sẵn sàng
Hợp kim dựa trên niken-như Inconel 718 có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn (12,5 × 10 ⁻⁶/độ ) so với hợp kim titan (8,6 × 10 ⁻⁶/ độ ). Điều này có nghĩa là chúng có thể giúp ngăn ngừa sự tích tụ ứng suất nhiệt.
Thiết kế trước khi biến dạng: Sử dụng phần mềm mô phỏng như VoxelDance Engineering để dự đoán cách xử lý nhiệt sẽ thay đổi hình dạng của vật liệu như thế nào. Sau đó, sử dụng tính năng biến dạng trước{1}}ngược lại trên mô hình ban đầu để làm cho mô hình được bù có kích thước phù hợp sau khi xử lý nhiệt. Ví dụ: sau khi điều chỉnh-độ biến dạng trước, độ chính xác khi in của phần có thành-mỏng có bề mặt cong cụ thể được cải thiện 66,2% và 98,6% diện tích biến dạng đáng kể đã được loại bỏ.
2. Cải thiện các thông số của quy trình
Làm nóng và làm mát từng bộ phận: Sử dụng chiến lược làm nóng từng bước (như giữ ở 50 độ trong 30 phút) và làm mát chậm (như làm mát không khí sau khi làm mát lò đến 200 độ) để giảm bớt ứng suất nhiệt do thay đổi nhiệt độ. Ví dụ, sau khi xử lý bằng HIP, các cánh tuabin của động cơ máy bay GE có tuổi thọ cao hơn gấp ba lần và không thay đổi hình dạng quá 0,05% thời gian.
Công nghệ kết tinh định hướng: Quá trình kết tinh định hướng của MIT điều chỉnh tốc độ gia nhiệt (ví dụ: 2,5 cm/h) và nhiệt độ (1235 độ) để phát triển hạt theo một hướng nhất định thành dạng cột. Điều này làm cho vật liệu có khả năng chống rão tốt hơn và ít bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
3. Dụng cụ và đồ đạc mới
Hệ thống vật cố định thích ứng: Phòng thí nghiệm Fraunhofer ILPT ở Đức đã tạo ra một vật cố định linh hoạt sử dụng lò xo khí nitơ để cung cấp lực kẹp động, bù đắp cho sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt trong quá trình in và giữ cho các cấu trúc có thành mỏng-3m × 2m không bị biến dạng quá ± 0,3mm.
Công nghệ xử lý nhiệt cục bộ: Gia nhiệt cảm ứng hoặc xử lý nhiệt cục bộ bằng laser được sử dụng trên các chi tiết lớn để tránh bị biến dạng khi nung nóng toàn bộ. Ví dụ, một giá đỡ hàng không nhất định đã đạt độ bền kéo 520MPa và độ ổn định kích thước lớn hơn ± 0,1mm nhờ xử lý dung dịch cục bộ.
4, Trường hợp biên giới: Một ứng dụng mới cho biến dạng xử lý nhiệt
Boeing sử dụng giải pháp vững chắc và kỹ thuật xử lý lão hóa trong ngành hàng không vũ trụ để làm cho giá đỡ máy bay in 3D chắc chắn hơn, với độ bền kéo 520MPa. Đồng thời, thiết kế biến dạng trước giữ cho biến dạng trong phạm vi ± 0,05 mm để đáp ứng các tiêu chuẩn khí động học chặt chẽ.
Cấy ghép y tế: Một công ty nào đó đã nghĩ ra một phương pháp mới để chế tạo cốc ổ cối bằng hợp kim titan bằng cách kết hợp "ủ giảm căng thẳng" với "khắc axit". Quá trình này loại bỏ ứng suất bên trong thông qua quá trình ủ và sau đó tạo ra cấu trúc vi xốp với kích thước từ 5 đến 10 μm thông qua quá trình ăn mòn axit. Điều này giúp các tế bào xương phát triển mà không làm thay đổi kích thước của cốc.
Thiết bị năng lượng: Siemens Energy chế tạo các cánh tuabin khí sử dụng công nghệ kết tinh định hướng HIP+. Điều này làm cho vật liệu dày đặc hơn 99,95% và làm cho nó có khả năng chống rão cao hơn 40%. Nó có thể chạy trong 100.000 giờ mà không thay đổi hình dạng ở nhiệt độ 1200 độ.