آیا عملیات حرارتی می تواند عملکرد خستگی قطعات پرینت سه بعدی فلزی را بهبود بخشد؟

一، مشکل اصلی عملکرد خستگی این است که قطعات پرینت سه بعدی از بدو تولد دارای ایراد هستند.
مشکلات مربوط به عملکرد خستگی پرینت سه بعدی فلزی ناشی از نحوه ساخت آن است. با استفاده از آلیاژ تیتانیوم (Ti-6Al-4V) به عنوان مثال، روش ذوب بستر پودر (PBF) پودر فلز را به سرعت ذوب می کند و سپس آن را جامد می کند. این باعث مشکلات زیر می شود:
ناهمگونی ریزساختار: دانه‌های اصلی ساختاری ستونی خشن دارند، با فاز بیشتر در نزدیکی لبه‌های دانه‌ها، که شروع ترک‌های خستگی را آسان‌تر می‌کند.
سوراخ ها و شکاف ها: اگر پودر به طور کامل ذوب نشود یا گاز حل شود، تخلخل داخلی می تواند به 0.5٪ تا 2٪ برسد که تا حد زیادی حد خستگی را کاهش می دهد.
تنش پسماند: تنش کششی ناشی از سرد شدن سریع می تواند بین 50 تا 70 درصد استحکام تسلیم مواد باشد که رشد ترک ها را سرعت می بخشد.
مؤسسه فلزات، آکادمی علوم چین، دریافت که قدرت خستگی تنش تنشی آلیاژ تیتانیوم پرینت سه بعدی معمولی تنها 475 مگاپاسکال است که بسیار کمتر از 900 مگاپاسکال است که باید در زمان فورج شود. این بیشتر به دلیل منافذ و بافت زبر است که باعث ایجاد ترک می شود.
2، مسیر فناوری عملیات حرارتی از خلاصی از عیوب تا بهبود سازمان می رود.
با مدیریت دما، مدت زمان و سرعت سرمایش، عملیات حرارتی سه هدف اصلی را برآورده می کند:
1. خلاص شدن از عیوب داخل: فناوری پرس ایزواستاتیک داغ (HIP)
فرآیند HIP از یک گاز بی اثر، مانند آرگون، برای جابجایی فشار در دماهای بسیار بالا (900-1250 درجه) و فشارهای بسیار بالا (100-200 مگاپاسکال) استفاده می کند. این باعث می شود که شکل مواد تغییر کند و هر سوراخی در داخل آن بسته شود. به عنوان مثال:
در هوافضا، GE Aviation از SLM برای چاپ پره های توربین Inconel 718 و سپس HIP برای درمان آنها استفاده کرد. این امر تخلخل را از 0.8% به 0.02% کاهش داد و عمر خستگی را سه برابر کرد.
بهبود آلیاژهای تیتانیوم: یک تجارت در چونگ کینگ از درمان HIP برای پرینت سه بعدی Ti-6Al-4V استفاده کرد. این محدودیت خستگی را از 550 مگاپاسکال به 900 مگاپاسکال افزایش داد، که همان شرایط جعلی است، و باعث شد که مواد ناهمسانگرد بسیار کمتری داشته باشند.
2. فناوری تبلور مجدد جهت دار برای یکنواخت تر کردن اندازه دانه و یکنواخت تر کردن ریزساختار استفاده می شود.
روش تبلور مجدد جهت دار MIT، گرادیان دما را کنترل می کند (به عنوان مثال، رسم با سرعت 2.5 میلی متر در ساعت در 1235 درجه) برای ایجاد ساختارهای کریستالی ستونی با رشد دانه ها در جهت خاصی. این تکنولوژی:
برای جلوگیری از خزش، بلورهای ستونی را با بیشترین محور تنش ردیف کنید، از لغزش مرز دانه در دماهای بالا جلوگیری کنید، و عمر خزشی آلیاژهای{0}}با دمای بالا{1}} مبتنی بر نیکل را دوبرابر کنید.
افزایش مقاومت در برابر خستگی: در استفاده از پره های توربین گاز، خلاص شدن از عیوب دانه درشت و نابجایی، مقاومت در برابر شروع ترک های خستگی را تا 60 درصد افزایش می دهد.
3. کنترل تغییرات فاز: محلول جامد با درمان پیری
برای موادی مانند آلیاژهای آلومینیوم، درمان با محلول (مانند نگهداری در دمای 540 درجه به مدت 2 ساعت) فاز تقویت را از بین می برد. سپس، درمان پیری (مانند نگهداری در دمای 155 درجه به مدت 8 ساعت) باعث ایجاد رسوب در مقیاس نانو (مانند فاز θ) می شود.
تعادل استحکام و چقرمگی: پس از عملیات حرارتی T6، استحکام تسلیم آلیاژ آلومینیوم F357 از 280 مگاپاسکال به 380 مگاپاسکال افزایش یافت، اما ازدیاد طول در 12٪ ثابت ماند.
فرآیند URQ{0}}HIP شرکت Quintus Technologies محلول جامد و درمان با فشار بالا را با هم ترکیب می‌کند تا از باز شدن مجدد منافذ جلوگیری کند، که به آلیاژ آلومینیوم F357 عمر خستگی طولانی‌تر از ریخته‌گری استاندارد MMPDS می‌دهد.
3، تمرین مهندسی: انتقال از آزمایشگاه به صنعتی
1. رشته هوافضا
زیمنس از SLM برای چاپ تیغه های آلیاژی با دمای بالا-نیکل- استفاده می کند. این تیغه‌ها سپس با HIP و تبلور مجدد هدایت می‌شوند تا کانال‌های خنک‌کننده پیچیده‌ای اضافه شود که باعث می‌شود توربین 5 درصد کارآمدتر شود و 3 درصد سوخت کمتری مصرف شود.
قطعات ساختاری سبک: بوئینگ 787 دارای براکت‌های آلیاژی تیتانیوم چاپ‌شده سه بعدی است که دوبار گرم می‌شوند (HIP+ پیری) تا 40 درصد قوی‌تر و 30 درصد سبک‌تر شوند.
2. صنعت تجهیزات پزشکی
Johnson&Johnson Medical مفاصل ران پرینت سه بعدی را با خلاء آنیل کرد تا از فشار باقیمانده سطح خلاص شود. سپس از پولیش شیمیایی استفاده کردند تا سطح را به Ra0.8 میکرومتر صاف کنند و به ایمپلنت ها عمر خستگی بیش از 20 سال بدهند.
طراحی ضد خستگی: تکنیک NAMP آکادمی علوم چین (نقص و گام به گام-نظارت بافتی) استحکام خستگی کششی ایمپلنت Ti-6Al-4V را از 475 مگاپاسکال به 978 مگاپاسکال، بالاترین سطح در جهان، افزایش داده است.
3. مبحث تجهیزات انرژی
تعمیر توربین گاز: تیم MIT یک محفظه احتراق آلیاژی مبتنی بر نیکل چاپی سه بعدی-را با استفاده از عملیات تبلور مجدد هدایت شده تعمیر کرد. این عملیات باعث شد تا محفظه بتواند 200 مگاپاسکال تنش را در دمای بالای 650 درجه تحمل کند و میزان خزش را تا 80 درصد کاهش دهد.
قطعات انرژی هسته ای: گروه EDF در فرانسه از درمان HIP برای چاپ سه بعدی اتصالات لوله های فولادی ضد زنگ استفاده می کند. این کار از شر معایب داخلی خلاص می شود و اتصالات را از طریق محلول درمانی برای رعایت مقررات ایمنی هسته ای در برابر خوردگی مقاوم تر می کند.