Vilka är de vanligaste värmebehandlingsmetoderna för 3D-utskrift av metall?

1. Glödgningsbehandling: bli av med överbliven stress och gör måtten mer stabila.
Glödgningsprocessen innebär att delen värms upp till en viss temperatur (vanligtvis under omkristallisationstemperaturen), att den hålls där under en viss tid och sedan långsamt kyls ned. Detta frigör inre spänningar i materialet, förfinar eller omkristalliserar kornen och förbättrar bearbetningsprestanda och dimensionsstabilitet.
Var man använder den:
Stressavlastning: Laserpulverbäddssmältningsmetoden (SLM) kan lämna kvarstående stress eftersom den svalnar så snabbt. Glödgning kan hjälpa till att sänka spänningsnivåerna för att förhindra att materialet böjs eller spricker under senare bearbetning eller användning. Till exempel glödgas flygplanskonstruktionsdelar ofta i 600–650 grader efter tryckning, vilket sänker spänningen med mer än 80 %.
Förbättrad plasticitet: Glödgning förfinar kornstorleken hos tryckta titanlegeringsdelar (såsom Ti6Al4V) och ökar deras förlängning med 15 % till 20 %, vilket gör dem bättre för delar som behöver kallformas.
Dimensionell stabilisering: Precisionsformar eller optiska delar kan stoppa dimensionsdrift som uppstår när spänningen släpps genom glödgningsbehandling, som uppfyller hög-precisionsstandarder.
När det gäller tillverkning av bränslemunstycken för LEAP-motorer använde GE Aviation glödgningsteknik för att sänka restspänningen hos tryckta delar från 300 MPa till mindre än 50 MPa. Detta gjorde delarna mycket mer stabila vid högt-tryck och höga-temperaturinställningar.
2. Behandling med en lösning och åldring: gör legeringen starkare
Principen för processen:
Behandling av fast lösning: Uppvärmning av legeringen till en enfaszon med hög-temperatur- för att helt lösa upp lösta atomer, generera en övermättad fast lösning, följt av snabb kylning (som vattenkylning) för att bevara strukturen med hög-temperatur.
Tidsbehandling: Håll den övermättade fasta lösningen vid en lägre temperatur (vanligtvis mellan 100 och 500 grader) för att bryta ner den och bilda stärkande faser som "fasen". Detta kommer att göra materialet mycket starkare och hårdare.
Exempel på användning:
Nickel-baserade hög-högtemperaturlegeringar som Inconel 718 behöver behandling med fast lösning (980–1010 grader) och åldringsbehandling (720 grader × 8 timmar+620 grader × 8 timmar) efter utskrift. De har en draghållfasthet på över 1500 MPa, vilket är tillräckligt starkt för turbinskivor för flygmotorer.
Aluminiumlegering, som AlSi10Mg, blir 30 % hårdare efter T6 värmebehandling (505 graders fast lösning + 170 grad åldras). Detta gör den bra för lätta konstruktionsdelar.
För att få den bästa blandningen av styrka och seghet, är Ti6Al4V titanlegering behandlad med fast lösning (950 grader) och åldring (550 grader). Detta gör det bra för ortopediska implantat.
Till exempel är SpaceX Raptor-motors förbränningskammare konstruerad av Inconel 718 tryckta delar som håller sig starka även efter att ha värmts upp till 2000 grader Celsius under lång tid, vilket gör det möjligt att använda raketer om och om igen.
3. Varm isostatisk pressning (HIP): bli av med inre skavanker och göra materialet tätare
Processprincip: I HIP placeras delarna i en hög-trycksbehållare och exponeras för en inert gas (som argon) atmosfär med hög temperatur (vanligtvis 1000–1200 grader) och högt tryck (100–200 MPa). Detta gör att materialet ändrar form, stänger porer och mikrosprickor och når nästan 100 % densitet.
Användningsfall:
Turbinblad och förbränningskammare är två viktiga delar av flygplan som måste klara mycket höga temperaturer och belastningar. HIP-behandling kan lösa problem med bindning mellan skikten och göra utmattningslivslängden 3 till 5 gånger längre.
HIP-behandling används på medicinska implantat inklusive acetabular cups och spinal fusion-enheter för att se till att materialen är porfria-, minskar risken för frisättning av metalljoner och uppfyller FDA:s strikta standarder för biokompatibilitet.
HIP kan fixa problem orsakade av överblivet internt stöd i komplexa strukturella delar, inklusive motormunstycken med kylkanaler, för att se till att de fungerar bra.
Till exempel använder Siemens Energy HIP-behandling för att tillverka gasturbinblad. Detta sänker porositeten hos tryckta delar från 0,5 % till 0,01 %, förbättrar krypprestanda vid hög-temperatur med 40 % och ger bladen en livslängd på mer än 100 000 timmar.
4. Släckning och härdning: hitta rätt balans mellan hårdhet och seghet
Principen för processen:
Släckning: Värm upp bitarna till den temperatur där de blir till austenit och kyl dem sedan snabbt (till exempel med olja eller vatten) för att skapa en martensitisk struktur som är mycket hård.
Härdning: För att bryta ner martensit, bli av med härdningsspänningar och göra materialet segare, håll det vid en lägre temperatur (150–650 grader).
Där den kan användas:
Verktygsstål: H13 varmbearbetningsstål, till exempel, härdas vid 1050 grader och härdas vid 580 grader efter tryckning. Den har en hårdhet på 52HRC och en 50 % ökning av termisk utmattningsprestanda, vilket gör den bra för formgjutning-.
Släckning (1050 grader) och låg-temperering (200 grader) gör rostfritt stål, som 316L, starkare och mer motståndskraftigt mot korrosion. Detta gör den till ett bra val för kemisk utrustning.
Efter fast lösning och åldringsbehandling kan martensitiskt åldrande stål som 18Ni300 nå en styrka på upp till 2000 MPa. Den används för hög-precisionsformar eller delar av rymdstrukturer.
Boeing använder härdningshärdningsprocessen för att tillverka 3D-tryckta landställsdelar av titanlegering. Detta gör dem tuffare mot stötar (35J/cm²) samtidigt som de håller sin styrka hög, vilket är vad FAA kräver för luftvärdighetscertifiering.
5. Cyklisk värmebehandling: förbättra mikrostrukturen hos superlegeringar
Processens princip: Materialets mikrostruktur styrs genom att gå igenom flera uppvärmnings- och kylcykler. Detta inkluderar att förfina kornstorleken och göra kompositionsfördelningen jämnare, vilket är bra för nickel-baserade superlegeringar som är svåra att bearbeta.
När du ska använda:
CMSX-4 enkristalllegering: Efter utskrift genomgår den en värmebehandling i flera steg (1280 grader i 2 timmar, 1120 grader i 4 timmar och 870 grader i 24 timmar) för att bli av med dendritsegregering och göra den bättre vid höga temperaturer.
Cyklisk värmebehandling kan förbättra fördelningen av karbider och göra kobolt-baserade legeringar som Stellite 6 20% mer motståndskraftiga mot slitage, vilket gör dem bra för ventiltätningsytor.
I ett typiskt scenario använde Rolls Royce cyklisk värmebehandling för att göra RB3025-turbinskivor för flygplansmotorer. Detta ökade utmattningslivslängden för tryckta delar från 5 000 cykler till 20 000 cykler, vilket bidrog till att skapa en ny generation av motorer.
6. Trender och problem i branschen
Intelligent kontroll: AI-algoritmer ändrar värmebehandlingsinställningarna i farten genom att hålla ett öga på temperatur- och stressdata i realtid. Detta låter dig reglera "en ugn, en policy" exakt.
Kompositprocess: Genom att kombinera värmebehandling med HIP, ytbeläggning och andra processer har vi en integrerad lösning som kallas "printing heat treatment coating" som fungerar bättre och snabbare.
Materialanpassning: För att göra 3D-utskrift mer användbar måste nya metallmaterial som högentropilegeringar och amorfa legeringar värmebehandlas- på innovativa sätt.
Svår
Kostnad: De rejäla investeringarna och driftskostnaderna för HIP-teknik gör det svårt för små och medelstora-företag att ha råd med.
Kontroll av deformation: Under värmebehandling kan komplexa strukturella delar skeva, därför behöver stöddesign förbättras genom simulering.
Standardbrist: Industrin har inte en enda uppsättning regler för värmebehandlingsprocesser, och det måste finnas ett omfattande kedjestandardsystem från material till delar.