Hur testar man styrkan hos 3D-utskriftsformar av metall?

一, Den huvudsakliga metoden för hållfasthetstestning
Styrketester av 3D-utskriftsformar av metall måste omfatta tre dimensioner: materialattribut, mikrostruktur och defektkontroll, vilket skapar en fler- och flerdimensionell testslinga.
1. Testning av mekanisk prestanda: Index för kvantitativ styrka
Dragprovning: Använd en universell testutrustning för att sätta en axiell dragbelastning på formmaterialet. Detta kommer att berätta dess draghållfasthet (UTS), sträckgräns (YS) och brottöjning (EL). Till exempel måste titanlegeringsformar uppfylla ASTM E8-standarden och deras UTS måste vara mellan 800 och 1000 MPa, medan deras YS måste vara minst 700 MPa.
Kompressionstest: Kontrollera hur stabil formen är när den är komprimerad. Detta test är särskilt användbart för att stödja strukturer eller komponenter med tjocka väggar. Till exempel måste GB/T 7314-standarden användas för att kontrollera tryckhållfastheten hos aluminiumlegeringsformar för att säkerställa att de inte böjs när de formas under högt tryck.
Böjningstestet med tre- eller fyra-punkter utförs för att se hur styv formen är när den böjs och hur stark bindningen mellan lagren är. Att testa böjhållfastheten hos formar av rostfritt stål enligt ISO 14125 är ett sätt att förhindra att mellanskiktsflagning orsakar fel.
Slagtest: Använd en pendelslagprovningsmaskin för att efterlikna dynamiska belastningar och ta reda på hur motståndskraftig formen är (till exempel Charpy V-notch-slagenergi). Till exempel måste formen för flygmotorblad uppfylla ASTM E23-standarden för att säkerställa att den inte går sönder lätt när den används i svåra situationer.
Utmattningstest: Använd en-högfrekvent utmattningstestmaskin för att simulera cykelbelastningar och ta reda på hur länge formen kommer att hålla innan den blir trött. Fordonsformar måste till exempel uppfylla ISO 12107-standarden och ha en utmattningsgräns på minst 300 MPa för att hantera påfrestningarna från långvarig-högtryckspressning.
2. Mikrostrukturanalys: ta reda på vad som gör styrka möjlig
Använd ett metallografiskt mikroskop (OM) för att titta på formens kornstorlek, fassammansättning och mellanskiktsgränssnitt. Till exempel har formar tillverkade med SLM (Selective Laser Melting) ofta mikroskopiska likaxliga korn, vilket gör dem mer än 30 % starkare än standardgjutgods.
Svepelektronmikroskop (SEM): Titta på hur sprickor börjar och sprids, och leta efter brister som brist på fusion och porositet. Till exempel måste SEM kontrollera EBM-formar (elektronstrålesmältning) för att säkerställa att de inte är för porösa (mindre än eller lika med 0,5 %) och för att undvika spänningskoncentration.
Elektron backscatter diffraction (EBSD): Mät skillnaden i kristallorientering (KAM-värde) och testa hur väl materialet kan deformeras lokalt. Till exempel kommer platser med höga KAM-värden sannolikt att utveckla sprickor, och värmebehandling behövs för att förbättra kornens orientering.
3. Hitta defekter: bli av med dolda styrka risker
CT-skanning för industrin: Testning av inre defekter i mögelsvampar som inte skadar dem, som porer, sprickor och fläckar där mögeln inte har smält ihop helt. Till exempel måste flygformar uppfylla ISO 17637-standarden för att säkerställa att defekterna inte är större än 0,1 mm och att utmattningssprickor inte sprider sig.
Ultraljudstestning (UT) hittar fel som sitter djupt inuti, och det fungerar bäst på formar med tjocka väggar. Till exempel måste formar för bilpaneler uppfylla ASTM E233-standarden för att hitta invändiga skavanker som är minst 50 mm djupa.
Röntgenfluorescensspektroskopi (XRF): Kontrollera snabbt formens kemiska sammansättning för att se till att elementinnehållet är vad det ska vara. Nickel-baserade legeringsformar måste till exempel uppfylla ISO 3497-standarden för att hålla intervallen av kritiska beståndsdelar som Cr och Mo under 0,5 %.
2, System av teststandarder för både internationell och inhemsk användning
Metall 3D-utskriftsformar måste testas för hållfasthet enligt strikta internationella och inhemska standarder för att säkerställa att data kan jämföras och att reglerna följs.
1. Standarder från hela världen
ISO/ASTM 52900: Fastställer definitioner och klassificeringar för 3D-utskriftsterminologi, vilket ger en grundläggande bas för hållfasthetstestning.
ISO 23499: sätter standarderna för dimensionsnoggrannhet och ytkvalitet för 3D-utskrivna metallföremål. Detta har en indirekt effekt på hållfasthetsprovningen.
ASTM E8/E23/E466: Dessa är huvudstandarderna för testning av formhållfasthet. De berättar hur du gör drag-, slag- och utmattningstest.
2. Standarder för hemmet
GB/T 39251: Klargör reglerna för att förbereda och använda prover för drag-, tryck-, böjnings- och andra tester av de mekaniska egenskaperna hos 3D-tryckta metallmaterial.
GB/T 39651: beskriver stegen för att inspektera och utvärdera metalltillverkningsdelar, inklusive hur man klassificerar defekter och ställer in acceptanskriterier.
QB/T 5696: Denna standard talar om kvaliteten på 3D-utskriftsmaterial av metall och ställer särskilda krav på saker som storleken och flytbarheten hos pulverpartiklar, vilket påverkar formens styrka på ett indirekt sätt.
3, Viktiga tekniska problem och hur man fixar dem
För att göra 3D-utskriftsformar av metall starkare måste vi hitta sätt att hantera problem som anisotropi, kvarvarande stress och ytkvalitet. Detta kan göras genom ny teknik och bättre processer.
1. Kontroll av anisotropi
Styrkan hos 3D-tryckta formar ändras baserat på utskriftsorienteringen (längsgående, tvärgående, snett). Till exempel kan den longitudinella hållfastheten hos SLM-genererade formar vara 20 % högre än tvärhållfastheten.
Lösning: Förbättra sättet du skannar på: Använd en schackbräda eller spiralskanningsbana för att göra ändringarna i termisk spänning över lager mindre märkbara.
Förstärkning efter-bearbetning: Varm isostatisk pressning (HIP) tar bort porer och höjer formens densitet till över 99,9 %.
Multi-testning: Prover tas i tre olika riktningar-längsgående, tvärgående och snedställda-för att säkerställa att minimihållfastheten uppfyller designstandarderna.
2. Hantera kvarvarande stress Problem: När 3D-utskrift svalnar för snabbt kan det bygga upp restspänningar, vilket kan få formen att böjas eller splittras.
Lösning: Avspänningsglödgning: Håll den vid 500-600 grader i 2 till 4 timmar för att släppa inre stress.
Laserchockpeening använder hög-energilaserstrålar för att ändra formen på ytan, lägga till kvarvarande kompressionsspänning och få materialet att överleva längre.
Onlineövervakning: Använder inbyggda-fiberoptiska sensorer för att hålla ett öga på stressfördelning i realtid och ändra utskriftsinställningar efter behov.
3. Bättre ytkvalitet Problem: Ytråheten (Ra) på 3D-tryckta formar är vanligtvis 10–20 μm, vilket gör dem lätta att krossa.
Svar:
Mekanisk polering: En CNC-polermaskin kan sänka Ra till mindre än 0,8 μm, vilket gör ytan starkare.
Kemisk polering: använder syratvätt eller elektrolytisk polering för att bli av med små ytfel och göra ytan mer motståndskraftig mot korrosion.
Kulblästring: Denna process lägger till ett lager av kvarvarande tryckspänning på ytan genom att träffa den med höghastighetsprojektiler.- Detta gör den mer motståndskraftig mot trötthet.
4, Fallstudie och branschpraxis
Fall 1: Form för bladet på en flygplansmotor
Nickel-baserad hög-temperaturlegering (Inconel 718) är materialet.
Testets fokus:
Hög temperaturhållfasthet: GB/T 4338-standarden säger att draghållfastheten ska testas vid 650 grader för att säkerställa att den är minst 800 MPa.
Termisk utmattningsprestanda: Använd ISO 12111 för att testa frakturutbredningshastigheten under motorstart-stoppcykler.
Mikrostruktur: Använd EBSD för att titta på fördelningen av 'fasen och se till att storleken på förstärkningsfasen är mindre än eller lika med 50 nm. Detta kommer att göra materialet mer stabilt vid höga temperaturer.
Formen håller tre gånger längre än standardgjutgods, vilket är vad som behövs för att flygplansmotorer ska gå i 100 000 timmar.
Fall 2: Form för ett bilskydd
Material: Stål med hög hållfasthet (H13)
Vad du ska testa:
Slitstyrka: ASTM G65-standarden testar slitagemängden för att säkerställa att den är mindre än eller lika med 0,1 g/1000 varv.
Slaghållfasthet: Charpys slagenergi måste vara minst 30 J, enligt ISO 148-standarden.
Dimensionsnoggrannhet: Använd CMM-testning för att säkerställa att formytans felaktighet är mindre än eller lika med 0,05 mm.
Formen håller i 500 000 stämplingscykler, vilket är 50 % längre än andra formar.