Hur påverkar värmebehandlingsparametrar den slutliga delens prestanda?

1. Temperaturparameter: mikrostrukturrekonstruktion driven av fasövergång
Kontroll av fast lösningstemperatur och fassammansättning
Temperaturen på lösningsbehandlingen har en direkt effekt på hur väl legeringsämnen löser sig i metallmatrisen. Den stärkande kärnan i 3D-printat 17-4PH rostfritt stål är kopparpartiklarna som faller ut ur dess martensitiska matris. När temperaturen på den fasta lösningen hålls mellan 1040 och 1080 grader, löses kopparelementet helt i austenitmatrisen, vilket skapar en övermättad fast lösning. Om temperaturen är under 1000 grader kommer överblivna kopparpartiklar inte att stärka materialet tillräckligt. Om temperaturen går över 1100 grader blir materialet mindre robust eftersom kornen blir större. Enligt forskning från Institute of Metals vid den kinesiska vetenskapsakademin kan HIP-behandling vid 950 grader hjälpa 'martensiten att förändras till en + tvåfasstruktur i Ti6Al4V-legeringen. Detta ökar töjningen till 13,15 % samtidigt som sträckgränsen hålls vid 909,5 MPa.
Förbättring av temperatur och nederbördsbeteende vid åldrande
Tidsbehandling gör saker starkare genom att hantera storleken och spridningen av andra fasens partiklar. Teamet från Shanghai University of Technology åldrade CuCrZr-legeringen tillverkad av SLM vid 500 grader i 1 timme. Detta höjde dess draghållfasthet från 460 MPa till 585 MPa och dess konduktivitet från 31 % IACS till 64 % IACS. Förstärkningsmekanismen bygger på att Cr-atomer kommer ut ur kopparmatrisen under åldringsprocessen. Detta skapar CrxZry-partiklar i nanoskala som stoppar dislokationsmigrering genom Orowans förstärkningsmekanism. När åldringstemperaturen går upp till 550 grader blir de utfällda faserna grövre, vilket gör materialet svagare. Emellertid blir materialet mer duktilt, med en 20% ökning av duktiliteten på grund av en minskning av dislokationshalkmotståndet.
2. Tidsparameter: Balansen mellan att fixa buggar och prestanda
Dags att hålla och effektiviteten av porförslutning
Hållbarheten har en direkt inverkan på hur väl porerna repareras efter HIP-behandling. Forskning om HIP-processen av Ti6Al4V-legering visar att vid 920 grader /140MPa kan en 2-timmarsbehandling minska porositeten från 0,8 % till 0,02 % och uppnå en densitet på 99,99 %; Om hålltiden förlängs till 4 timmar minskar porositeten ytterligare till 0,005 %, men kornstorleken ökar från 10 μm till 15 μm, vilket resulterar i en 8 % minskning av sträckgränsen. Detta innebär att samtidigt som att hålla tiden kan göra saker tätare, kan det också framkalla konstig korntillväxt. Så en balans måste hittas mellan att åtgärda defekter och att hålla prestanda uppe.
Kinetik för fasförändring och isoleringstid
Behandlingen med fast lösnings isoleringstid bör säkerställa att alla legeringselement är helt upplösta. För 3D--tryckt IN718-legering med hög-temperatur kan om man håller den vid 1080 grader i 1 timme helt lösa upp Nb-elementet i matrisen. Om isoleringsperioden minskas till 30 minuter kan inte förstärkningsfasen av '' falla ut helt, vilket gör att krypprestanda vid hög-temperatur sjunker med 40 %. Hur lång tid materialet är isolerat under åldringsbehandlingen påverkar storleken på faserna som bildas. Till exempel, efter åldring vid 720 grader i 8 timmar, är ''-fasen i 718-legering 50nm i storlek, vilket är bäst för att stärka. Efter 16 timmars åldring växte den utfällda fasen till 100 nm, vilket gjorde att styrkan sjönk med 15 %.
3. Nedkylningshastighet: förfina organisationen och kontrollera kvarvarande stress
Härdningshastigheten och produktionen av martensit
Den hastighet med vilken metallen svalnar under härdning påverkar vilka fasövergångsprodukter den kommer att ha. För 3D-printat H13 verktygsstål kan oljesläckningshastigheten på 50 grader /s göra platta nudlar martensit med en hårdhet på 52HRC. Om du kyler ner den med luft (5 grader /s) kommer bainitstrukturen att bildas och hårdheten sjunker till 40HRC. Även om snabb släckning kan göra saker svårare, kan det också få dem att spricka. För att hitta rätt balans mellan hårdhet och restspänning behövs graderad härdning (exempelvis först kylning till 600 grader och sedan oljekylning).
En långsam nedkylningshastighet och stressavlastning
Den tröga avkylningshastigheten under glödgningsbehandlingen har en effekt på hur restspänningen frigörs. Det tog 2 timmar att kyla AlSi10Mg-aluminiumlegeringen för 3D-utskrift från 300 grader till rumstemperatur med en hastighet av 5 grader/min. Detta minskade restspänningen med 70 %. Om kylhastigheten höjs till 20 grader/min, kommer restspänningen endast att minska med 30 %. Långsam kylning hjälper till att omarrangera dislokationer och migration av korngränser, vilket lindrar stress. En för långsam nedkylningshastighet kan dock göra att kornen blir grövre, därför behövs lämpliga materialoptimeringsinställningar.
4. Samarbetsoptimering med flera-parametrar: från "trial and error" till "exakt kontroll"
Digital tvillingteknik driver parameterförutsägelse
Siemens och Boeing arbetade tillsammans för att skapa en digital tvillingplattform som kan visa hur temperaturfältet, stressfältet och mikrostrukturen hos 3D-tryckt Ti6Al4V-legering förändras under HIP-behandling. Systemet kan ta reda på den bästa HIP-metoden (såsom 920 grader /140MPa/2h) genom att ta hänsyn till saker som startporositet och kornstorlek. Detta kan få delarna att hålla tre gånger längre och halvera antalet tester.
Parameterinversion med hjälp av maskininlärning
GE Aviation använder maskininlärningstekniker för att titta på 100 000 uppsättningar värmebehandlingsdata och skapa en kartläggningsmodell för "temperatur-tid kylningshastighetsprestanda". Denna modell kan ta reda på processinställningar som fungerar för vissa prestandabehov. När IN718-legering behöver hålla en kryplivslängd på 1000 timmar vid 650 grader, till exempel, föreslår systemet ett processschema med 1080 grader /1h fast lösning+720 grad /8h åldring. Den uppmätta kryptiden är 1200 timmar.
5. Fallstudie av en industri: gå från labbet till fabriken
Flyg- och rymdområdet
För att förbättra 3D-utskrift av nickel-baserade hög-temperaturlegerade turbinskivor använder Rolls Royce HIP-behandling. Delar som behandlats med HIP har en kryplivslängd på 173 timmar vid en hög temperatur på 1400 grader, vilket är mer än de 50 timmar som behövdes för väsentliga komponenter i GE9X-motorer.
Området för medicinska implantat
Efter 950 grader i 4 timmars HIP-behandling på det 3D-printade Ti6Al4V höftledsimplantatet från Johnson&Johnson nådde dess maximala utmattningsstyrka 550 MPa (107 cykler), vilket är samma som det smidda glödgade tillståndet. Samtidigt är ytjämnheten Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.