آیا عملیات حرارتی ساختار کریستالی فلز را تغییر می دهد؟

ساختار کریستالی چیست و چرا باید به آن اهمیت داد؟

فلز در تمام طول مسیر جامد نیست - از دانه ها ساخته شده است

فلزات از بلورهای ریزی به نام دانه تشکیل شده اند. هر دانه دارای یک شبکه اتمی مرتب است و دانه ها در مرزهای دانه به هم می رسند. اندازه دانه، شکل، جهت گیری و فازهای درون آنها رفتار مکانیکی را کنترل می کنند.

قیاس: به یک دیوار فکر کنید. آجرهای یکنواخت منظم روی هم (دانه های ریز و هم محور) ساختاری مستحکم و ثابت ایجاد می کنند. سنگ های انباشته شده تصادفی با اندازه های مختلف (دانه های درشت یا ستونی) نقاط ضعف ایجاد می کنند.

چگونه ساختار کریستالی بر عملکرد واقعی{0}در بخش جهانی تأثیر می‌گذارد

دانه های ریز ← استحکام بیشتر و مقاومت در برابر خستگی بهتر (Hall-رابطه Petch).

دانه های درشت ← مقاومت در برابر خزش در دمای بالا-.

ناهمسانگردی → قطعات SLM اغلب در جهت ساخت (Z) در مقابل افقی (XY) به دلیل دانه های ستونی عملکرد متفاوتی دارند.

اگر ساختار دانه داخلی نامطلوب باشد، یک قطعه بصری کامل می تواند تحت بار شکست بخورد.

فرآیند SLM با ساختار کریستالی چه می کند؟

ریزساختار منحصر به فرد ایجاد شده توسط پرینت سه بعدی متال افزودنی

SLM شامل نرخ های خنک کننده 10³-106 درجه بر ثانیه است که ساختارهای غیرتعادلی ایجاد می کند:

دانه های ستونی که به صورت همپایه در امتداد جهت ساخت (محور Z-) رشد می کنند.

Ti{2}}6Al-4V: مارتنزیت سوزنی - بسیار قوی اما شکننده.

AlSi10Mg: شبکه سیلیکونی یوتکتیک فوق‌العاده-در ماتریس آلومینیومی.

آلیاژهای نیکل: ساختارهای دندریتی با تفکیک عنصری.

فولادها: اغلب مارتنزیتی.

این به طور قابل توجهی با معادل های ریخته گری یا آهنگری متفاوت است، که منجر به استحکام بالاتر اما شکل پذیری و ناهمسانگردی کمتر درپرینت سه بعدی فلزی افزودنیقطعات

تنش پسماند و رابطه آن با ساختار بلوری

گرادیان های حرارتی سریع تنش ها را در سطح مرز دانه قفل می کنند. همانطور که- SLM Ti-6Al-4V ساخته شده می‌تواند تنش‌های پسماند 600-900 مگاپاسکال را از خود نشان دهد که خطر ترک خوردن یا تاب برداشتن را در پی دارد.

آیا عملیات حرارتی ساختار کریستالی را تغییر می دهد؟

بله. عملیات حرارتی باعث بهبود (تسکین استرس)، تبلور مجدد (تشکیل دانه های جدید) و رشد دانه می شود. تغییرات دقیق به دما، زمان، سرعت سرد شدن و شیمی آلیاژ بستگی دارد.

آلیاژهای تیتانیوم (Ti-6Al-4V)

به عنوان-ساخت: مارتنزیت عمدتا سوزنی شکل (قوی اما شکل پذیری کم).

کاهش استرس (600-750 درجه): مارتنزیت شروع به تجزیه می کند.

درمان با محلول + پیری (STA) یا HIP (~900-950 درجه +): به ساختار لایه ای یا هم محور + تبدیل می شود، شکل پذیری و عمر خستگی را بهبود می بخشد و در عین حال استحکام را متعادل می کند.

ریزساختار تیتانیوم SLM پس از بازپخت از مارتنزیت شکننده به فاز + متعادل‌تر تغییر می‌کند.

فولاد ضد زنگ (316L و 17-4PH)

316L: آستنیتی و نسبتاً پایدار. عملیات حرارتی عمدتاً تنش‌ها را از بین می‌برد و بدون تغییرات فاز عمده همگن می‌شود، اگرچه ناهمسانگردی را کاهش می‌دهد.

17-4PH: مارتنزیتی ساخته شده. بازپخت محلول به آستنیت باز می گردد. پیری مراحل تقویت را تسریع می کند. بسیار بیشتر از 316L به عملیات حرارتی پاسخ می دهد.

آلیاژهای آلومینیوم (AlSi10Mg)

همانطور که-ساخته شده است: شبکه سیلیکونی بسیار ریز که از طریق انجماد سریع استحکام بالایی دارد. درمان T6: حل کردن شبکه را منحل می کند. پیری مراحل تقویت را تسریع می کند. ذرات سیلیکون درشت می شوند (در حال رسیدن استوالد)، شکل پذیری را بهبود می بخشد اما اغلب مقاومت اوج را اندکی کاهش می دهد.

بهترین عملیات حرارتی برای قطعات آلیاژ آلومینیوم SLM نیازمند کنترل دقیق برای جلوگیری از اعوجاج بیش از حد یا درشت شدن بیش از حد-است.

سوپرآلیاژهای نیکل (IN625, IN718)

همانطور که-ساخت: دندریتیک با جداسازی Nb/Mo. هموژنیزاسیون + محلول + پیری مضاعف: جداسازی را کاهش می دهد، رسوبات تقویت کننده را تشکیل می دهد. نادیده گرفتن همگن سازی منجر به ویژگی های متناقض در قطعات پرینت سه بعدی فلزی IN718 می شود.

فولاد ابزار و فولاد ماراژینگ (MS1 / 18Ni300)

همانطور که-ساخت: ماتریس مارتنزیتی. پیری (480-520 درجه): رسوبات بین فلزی ریز (Ni3Ti و غیره) را در ماتریکس مارتنزیت تشکیل می دهد. سختی به طور قابل توجهی افزایش می یابد (به عنوان مثال، ~38 HRC → 50-54 HRC) با حداقل تغییر ابعاد.

جدول مقایسه

چگونه تغییرات ساختار کریستالی بر عملکرد مکانیکی تأثیر می گذارد

استحکام در مقابل تجارت انعطاف پذیری-خاموش است

عملیات حرارتی اغلب مقداری استحکام کششی نهایی را با ازدیاد طول و چقرمگی بهتر مبادله می کند. این تعادل برای کاربردهای واقعی ضروری است.

عمر خستگی - دارایی که بیشترین تأثیر را از ساختار دانه دارد

دانه های ستونی در{0}}قسمت های ساخته شده مسیرهای ضعیفی برای انتشار ترک ایجاد می کنند. تبلور مجدد و تغییرات مرز دانه پس از عملیات حرارتی مناسب می تواند عمر خستگی را 20 تا 40 درصد یا بیشتر بهبود بخشد.

کاهش ناهمسانگردی پس از عملیات حرارتی

همانطور که{0}}قطعات SLM ساخته شده است: ویژگی‌های XY اغلب 15 تا 25% بهتر از Z است. درمان مناسب این شکاف را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، که برای بارگذاری چند جهته بسیار مهم است.

چگونه عملیات حرارتی خواص مکانیکی قطعات پرینت سه بعدی را عمدتاً از طریق این بهینه سازی های ریزساختاری بهبود می بخشد.

سناریوهای واقعی

سناریو 1 - قطعه تیتانیوم هوافضا به عنوان-قطعات مارتنزیتی ساخته شده در آزمایش ضربه ترک خورده است. پس از ایجاد ساختار + STA، هندسه یکسان با حاشیه عبور کرد.

سناریو 2 - نمونه اولیه آلومینیومی T6 بیش از حد تهاجمی توسط یک تامین کننده غیرمجاز باعث درشت شدن بیش از حد دانه و اعوجاج 0.4 میلی متری شد. یک تولیدکننده واجد شرایط چاپ سه بعدی فلزی افزودنی با فرآیندهای کنترل شده از این امر جلوگیری کرد.

سناریو 3 - بخش توربین IN718 از همگن‌سازی صرفنظر شد به تغییرات HRC 8± منجر شد. باز{4}}پردازش کامل هزینه ها را دوبرابر کرد.