Vilka är fördelarna med HIP-bearbetning vid efter-bearbetning av 3D-utskrift av metall?

1. Att bli av med inre brister: gå från "porositet" till "noll defekter"
Icke-jämviktsstelning som produceras genom snabb kylning kan skapa små hål under 3D-utskrift av metall. Å andra sidan kan att ta isär stödstrukturer eller inte helt smältande pulver orsaka makroskopisk krympning. Dessa defekter kan orsaka sprickor, vilket avsevärt förkortar delarnas utmattningslivslängd. HIP-teknik åtgärdar defekter genom att använda följande metoder:
Stänger porer och kombinerar metaller
När metallmaterial värms upp till en hög temperatur (vanligtvis 0,5 till 0,8 gånger materialets smältpunkt) och sätts under stort tryck (100 till 200 MPa), blir de mycket böjliga. Gastrycket gör att metallen runt porerna ändrar form, får kontakt med varandra och bildar metallurgiska bindningar. Detta gör att porvolymen minskar tills den är borta. Till exempel, efter HIP-behandling, gick porositeten hos IN718 hög-temperaturlegering tillverkad med SLM-tekniken från 0,8 % till 0,02 %, vilket gjorde den 99,99 % tät, vilket är vad flygindustrin behöver för att se till att materialen är tillförlitliga.
Läkning av mikrosprickor
Termisk stress i 3D-utskrift av metall kan orsaka mikrosprickor. HIP-behandlingens glödgningsverkan vid hög-temperatur eliminerar kvarvarande spänning, och miljön med högt-tryck gör att sprickspetsen böjs plastiskt, vilket stänger sprickan och skapar en stabil korngränsstruktur. Experimentella data indikerar att HIP-behandling kan minska sprickdensiteten hos 316L rostfritt stål med 90 % och förbättra brottsegheten med 30 %.
Förfina kornen och göra mikrostrukturen mer enhetlig
Den höga-temperaturprocessen för HIP är densamma som glödgningsbehandling, som kan bli av med den underkylda strukturen eller metastabila fasen som bildas när SLM svalnar snabbt. Efter HIP-behandling, till exempel, ändras de grova kolumnformiga kristallerna av Ti6Al4V-legeringen till fina likaxliga kristaller, och kornstorleken går från 50 μm till 10 μm. Detta gör materialet mycket mer flexibelt och motståndskraftigt mot utmattning.
2. Göra mekanisk prestanda bättre: hitta rätt balans mellan styrka och seghet
HIP-bearbetning har två effekter på de mekaniska egenskaperna hos 3D-utskrivna metalldelar:
Styrka och plasticitet går bättre ihop.
Materialets hållfasthet kan minska något (vanligtvis med 5% till 15%) efter HIP-behandling, men dess plasticitetsindikatorer, som töjning, ökar mycket. Till exempel, efter HIP-behandling, sjönk draghållfastheten hos AlSi10Mg-aluminiumlegering tillverkad med SLM-teknik från 420MPa till 380MPa, men töjningen gick upp från 8% till 15%, vilket är bra för lätta konstruktionsdelar i bilar.
En betydande förbättring av utmattningsmotståndsprestanda
Den främsta orsaken till tillväxt av utmattningssprickor är inre defekter. Genom att bli av med porer och mikrosprickor ökar HIP-behandlingen avsevärt utmattningslivslängden på delar. Till exempel har utmattningslivslängden vid hög-temperatur för IN718-legering behandlad med HIP vid 650 grader och 690 MPa gått från 50 timmar utan behandling till 173 timmar. Detta uppfyller livslängdskraven för GE-flygplansmotorer för väsentliga delar.
Anisotropt avlägsnande
Mellanskiktsbindningsegenskaperna hos metall 3D-utskrift kan orsaka att de mekaniska egenskaperna blir olika i olika riktningar. Materialet fungerar på samma sätt i alla riktningar när det behandlas med HIP, som använder 360 graders likformigt tryck. Till exempel är skillnaden i radiella och axiella friktionskoefficienter mellan keramiska kulor av kiselnitrid som behandlats med HIP mindre än 5 %, vilket är mycket bättre än vanliga sintringsmetoder.
3. Utvidga tillämpningsområdet: Gå från "Tillgänglig" till "Tillförlitlig"
HIP-bearbetning hjälper till med den tekniska sidan av att använda metall 3D-utskriftsteknik i stor skala inom områden där det är mycket efterfrågat.
Flyg- och rymdsektorn
Turbinblad, förbränningskammare och andra delar av en flygmotor måste kunna fungera i situationer med höga temperaturer, höga tryck och hög belastning. HIP-behandling kan bli av med termiska spänningssprickor som uppstår när SLM-processen kyls ner för snabbt, och den kan också göra material bättre vid krypning vid hög-temperatur. Rolls Royce, till exempel, använder HIP-behandlad nickel-baserad hög-temperaturlegeringsturbinskivor som höjer driftstemperaturen från 1200 till 1400 grader Celsius och dragkraftsförhållandet-till-vikt med 20 %.
Område för medicinska implantat
Ortopediska implantat måste vara starka och säkra för kroppen. HIP-behandling kan bli av med alfasegregering i Ti6Al4V-legering, minska risken för att metalljoner läcker ut och få materialet att hålla längre under stress. Kliniska bevis tyder på att felfrekvensen för höftimplantat som utsätts för HIP har minskat från 3 % till 0,5 % efter ett decennium.
Energi- och sjöfartsindustrin
Delar som tryckkärl för kärnreaktorer och djupa-sensorinnehåll måste kunna hantera mycket svåra förhållanden. Den HIP-behandlade zirkoniumoxidkeramen klarar högt tryck på 110 MPa i djuphavet, och det kiselkarbidbelagda bränsleelementet kan hålla sig stabilt vid höga temperaturer på 1200 grader. Dessa material är mycket viktiga för den fjärde generationens kärnkraftsteknik.