Kommer metall 3D-utskrift värmebehandling orsaka deformation?

一, The Technical Essence of Heat Treatment: Organizational Regulation and Performance Optimization
Uppvärmning, isolering och kylning av metallmaterial under värmebehandling modifierar deras mikrostruktur, vilket förbättrar deras mekaniska egenskaper. Inom 3D-utskrift av metall är huvudmålen för värmebehandling:
Att bli av med restspänningar: När materialet skrivs ut går det igenom snabba cykler av uppvärmning och kylning, vilket gör att det inre gallret böjs och skapar restspänningar. För att avlasta spänningen värms delen upp under materialets omkristallisationstemperatur (till exempel hålls titanlegeringen vid 800 grader i 2 timmar). Detta slappnar av gallret och minskar risken för deformation under senare bearbetning eller användning.
Förbättring av kornets struktur: Behandling med fast lösning (som 7075 aluminiumlegering vid 470 grader) kan bryta ned förstärkningsfaser, medan åldringsbehandling (som 120 grader i 24 timmar) kan orsaka att nanoskala utfällningsfaser bildas, vilket resulterar i en kombinerad ökning av styrka och seghet. Denna process gör kornen mindre och mindre benägna att ändra volym när fasen ändras, vilket gör att deformationsbenägenheten blir lägre.
Åtgärda inre problem: Hot isostatic pressing (HIP)-teknologi ökar synergistiskt materialdensiteten till över 99,9% med kombinationen av 100-150MPa högt tryck och 1000-1200 graders hög temperatur, vilket stänger mikrosprickor och porer och eliminerar lokal spänningskoncentration orsakad av ojämn krympning.
2, Mekanismen för deformation orsakad av värmebehandling är de kombinerade effekterna av termisk stress och förändringar i mikrostrukturen.
Målet med värmebehandling är att bli av med risken för deformation, men om det görs fel kan nya deformationer ändå inträffa. De viktigaste sätten att detta händer är:
Värmespänningsuppbyggnad: När en del värms upp och kyls, gör temperaturskillnaden mellan utsidan och insidan av delen att delen expanderar och drar ihop sig annorlunda, vilket skapar termisk stress. Till exempel, när tunna-väggiga delar kyls snabbt, krymper utsidan snabbare än insidan. Detta kan göra att föremålet förvrängs eller vrids.
Förändring i volymen av organisatorisk transformation: Förändringar i materialdensitet under fasövergångsprocessen gör att volymen krymper eller växer. Till exempel, när martensitisk transformation inträffar, är volymen större, och om spänningssläppet inte är jämnt kan det generera sprickor.
Hur den bärande strukturen påverkar: Området där tryckstödet och substratet förenas kommer sannolikt att bli en spänningskoncentrationspunkt under värmebehandling. Om stödkonstruktionen inte är rätt kan den böjas när stödet tas av efter värmebehandling på grund av stressavlastning i ett område.
3, Strategi för att kontrollera deformation: Förbättra processer och komma med ny teknik
För att balansera effekterna av värmebehandling och risken för deformation har industrin tagit fram en systematisk förvaltningsplan som tittar på tre områden: material, processer och utrustning:
1. Att välja material och göra i ordning dem
Nickel-baserade legeringar som Inconel 718 har en lägre termisk expansionskoefficient (12,5 × 10 ⁻⁶/grad) än titanlegeringar (8,6 × 10 ⁻⁶/grad). Detta innebär att de kan hjälpa till att förhindra uppbyggnad av termisk stress.
Design före deformation: Använd simuleringsprogram som VoxelDance Engineering för att förutsäga hur värmebehandling skulle ändra formen på materialet. Använd sedan omvänd pre-deformation på originalmodellen för att få den kompenserade modellen till rätt storlek efter värmebehandling. Till exempel, efter för-förvrängningsjustering, förbättrades utskriftsnoggrannheten för en tunn-väggig del med en specifik krökt yta med 66,2 %, och 98,6 % av den betydande deformationsarean togs bort.
2. Förbättra parametrarna för processen
Uppvärmning och kylning i delar: Använd en stegvis uppvärmningsstrategi (som att hålla vid 50 grader i 30 minuter) och fördröjd kylning (som luftkylning efter ugnskylning till 200 grader) för att minska den termiska spänningen som orsakas av temperaturförändringar. Till exempel, efter HIP-behandling, håller turbinbladen på GE-flygplansmotorer tre gånger längre och ändrar inte form mer än 0,05 % av tiden.
Teknik för riktningskristallisation: MIT:s riktningskristallisationsprocess justerar uppvärmningshastigheten (till exempel 2,5 cm/h) och temperaturen (1235 grader) för att odla korn i en viss riktning till kolumnformade formationer. Detta gör materialet mer motståndskraftigt mot krypning och mindre benägna att deformeras vid höga temperaturer.
3. Nya verktyg och fixturer
Adaptivt fixtursystem: Fraunhofer ILPT-laboratoriet i Tyskland skapade en flexibel fixtur som använder kvävgasfjädrar för att ge dynamisk spännkraft, kompenserar för skillnader i termisk expansion under utskrift och håller 3m × 2m tunna -väggiga strukturer från att deformeras med mer än ± 0,3 mm.
Lokal värmebehandlingsteknik: Induktionsvärme eller laser lokal värmebehandling används på stora delar för att förhindra att de deformeras när de värms upp överallt. Till exempel har ett visst flygfäste nått en draghållfasthet på 520 MPa och dimensionsstabilitet större än ± 0,1 mm tack vare lokal lösningsbehandling.
4, Frontier Case: A New Use for Heat Treatment Deformation
Boeing använder en solid lösning och åldringsbehandlingsteknik inom flygindustrin för att göra 3D-printade flygplansfästen starkare, med en draghållfasthet på 520 MPa. Samtidigt håller pre-deformationsdesignen deformationen inom ± 0,05 mm för att möta snäva aerodynamiska standarder.
Medicinska implantat: Ett visst företag har kommit på ett nytt sätt att tillverka acetabulära koppar av titanlegering genom att kombinera "avspänningsglödgning" med "syraetsning". Denna process tar bort inre spänningar genom glödgning och skapar sedan en mikroporös struktur med en storlek på 5 till 10 μm genom syraetsning. Detta hjälper benceller att växa utan att ändra storleken på kopparna.
Energiutrustning: Siemens Energy tillverkar gasturbinblad med hjälp av HIP+riktad kristalliseringsteknik. Detta gör materialet 99,95% tätt och gör det 40% mer motståndskraftigt mot krypning. Den kan köras i 100 000 timmar utan att ändra form vid en temperatur på 1200 grader.