Tratamentul termic prin imprimare 3D metal va cauza deformare?

一, Esența tehnică a tratamentului termic: reglementare organizațională și optimizare a performanței
Încălzirea, izolarea și răcirea materialelor metalice în timpul tratamentului termic le modifică microstructura, ceea ce le îmbunătățește caracteristicile mecanice. În imprimarea 3D pe metal, principalele obiective ale tratamentului termic sunt:
Eliminarea stresului rezidual: atunci când materialul este imprimat, trece prin cicluri rapide de încălzire și răcire, ceea ce face ca rețeaua internă să se îndoaie și creează stres rezidual. Pentru a reduce tensiunea, piesa este încălzită sub temperatura de recristalizare a materialului (de exemplu, menținând aliajul de titan la 800 de grade timp de 2 ore). Acest lucru relaxează rețeaua și scade pericolul de deformare în timpul prelucrării sau utilizării ulterioare.
Îmbunătățirea structurii boabelor: Tratamentul cu soluție solidă (cum ar fi aliajul de aluminiu 7075 la 470 de grade) poate descompune fazele de întărire, în timp ce tratamentul de îmbătrânire (cum ar fi 120 de grade timp de 24 de ore) poate determina formarea fazelor de precipitare la scară nanometrică, ducând la o creștere combinată a rezistenței și tenacității. Acest proces face ca boabele să fie mai mici și mai puțin probabil să își schimbe volumul atunci când faza se schimbă, ceea ce face ca înclinația la deformare să fie mai mică.
Rezolvarea problemelor interne: Tehnologia de presare izostatică la cald (HIP) mărește sinergic densitatea materialelor la peste 99,9% cu combinația de presiune ridicată de 100-150MPa și temperatură ridicată de 1000-1200 de grade, închizând microfisurile și porii și eliminând concentrația locală de stres cauzată de contracția neuniformă.
2, Mecanismul de deformare cauzat de tratamentul termic este efectele combinate ale stresului termic și modificările microstructurii.
Scopul tratamentului termic este de a scăpa de riscul de deformare, cu toate acestea, dacă este făcut greșit, pot apărea noi deformații. Principalele moduri în care se întâmplă acest lucru sunt:
Acumularea de stres termic: Când o piesă este încălzită și răcită, diferența de temperatură dintre exteriorul și interiorul piesei face ca piesa să se extindă și să se contracte diferit, ceea ce creează stres termic. De exemplu, când părțile cu pereți-subțiri sunt răcite rapid, exteriorul se micșorează mai repede decât interiorul. Acest lucru poate cauza distorsionarea sau răsucirea articolului.
Schimbarea volumului transformării organizaționale: Schimbările în densitatea materialului în timpul procesului de tranziție de fază determină micșorarea sau creșterea volumului. De exemplu, atunci când are loc transformarea martensitică, volumul este mai mare, iar dacă eliberarea tensiunii nu este lină, ar putea genera fisuri.
Cum afectează structura de susținere: zona în care suportul de imprimare și substratul se unesc este probabil să devină un punct de concentrare a tensiunii în timpul tratamentului termic. Dacă designul suportului nu este corect, acesta se poate îndoi atunci când suportul este scos după tratamentul termic din cauza eliberării tensiunii într-o zonă.
3, Strategia de control al deformării: Îmbunătățirea proceselor și crearea de noi tehnologii
Pentru a echilibra efectele tratamentului termic și riscul de deformare, industria a conceput un plan de management sistematic care se uită la trei domenii: materiale, procese și echipamente:
1. Alegerea materialelor și pregătirea lor
Aliajele pe bază de nichel-cum ar fi Inconel 718 au un coeficient de dilatare termică mai mic (12,5 × 10 ⁻⁶/grad ) decât aliajele de titan (8,6 × 10 ⁻⁶/grad ). Aceasta înseamnă că pot ajuta la prevenirea acumulării de stres termic.
Proiectare înainte de deformare: utilizați software de simulare precum VoxelDance Engineering pentru a estima modul în care tratamentul termic ar schimba forma materialului. Apoi, utilizați pre-deformarea inversă pe modelul original pentru a face modelul compensat să aibă dimensiunea potrivită după tratamentul termic. De exemplu, după ajustarea pre-distorsiunii, precizia de imprimare a unei piese cu pereți-subțiri cu o suprafață curbă specifică s-a îmbunătățit cu 66,2% și a fost eliminată 98,6% din zona de deformare semnificativă.
2. Îmbunătățirea parametrilor procesului
Încălzirea și răcirea în părți: Folosind o strategie de încălzire treptată (cum ar fi menținerea la 50 de grade timp de 30 de minute) și răcirea întârziată (cum ar fi răcirea cu aer după răcirea cuptorului la 200 de grade) pentru a reduce stresul termic produs de schimbările de temperatură. De exemplu, după tratamentul HIP, paletele turbinei motoarelor de aeronave GE durează de trei ori mai mult și nu își schimbă forma mai mult de 0,05% din timp.
Tehnologie pentru cristalizarea direcțională: procesul de cristalizare direcțională al MIT ajustează viteza de încălzire (de exemplu, 2,5 cm/h) și temperatura (1235 grade) pentru a crește boabele într-o anumită direcție în formațiuni colonare. Acest lucru face ca materialul să fie mai rezistent la fluaj și mai puțin probabil să se deformeze la temperaturi ridicate.
3. Instrumente și dispozitive noi
Sistem adaptiv de fixare: Laboratorul Fraunhofer ILPT din Germania a creat un dispozitiv flexibil care utilizează arcuri cu gaz de azot pentru a oferi forță dinamică de strângere, compensează diferențele de dilatare termică în timpul imprimării și împiedică deformarea structurilor cu pereți subțiri de 3m × 2m-cu mai mult de ± 0,3 mm.
Tehnologie locală de tratament termic: încălzirea prin inducție sau tratamentul termic local cu laser este utilizat pe piesele mari pentru a le împiedica să se deformeze atunci când sunt încălzite peste tot. De exemplu, un anumit suport de aviație a atins o rezistență la tracțiune de 520MPa și o stabilitate dimensională mai mare de ± 0,1 mm datorită tratamentului cu soluție locală.
4, Frontier Case: O nouă utilizare pentru deformarea prin tratament termic
Boeing folosește o soluție solidă și o tehnică de tratare a îmbătrânirii în industria aerospațială pentru a face suporturile pentru avioane imprimate 3D mai puternice, cu o rezistență la tracțiune de 520 MPa. În același timp, designul pre-deformare menține deformația în ± 0,05 mm pentru a îndeplini standardele aerodinamice stricte.
Implanturi medicale: O anumită companie a venit cu o nouă modalitate de a face cupe acetabulare din aliaj de titan, combinând „recoacerea de reducere a stresului” cu „gravarea acidă”. Acest proces îndepărtează stresul intern prin recoacere și apoi creează o structură microporoasă cu o dimensiune de 5 până la 10 μm prin gravare acidă. Acest lucru ajută celulele osoase să crească fără a modifica dimensiunea cupelor.
Echipamente energetice: Siemens Energy produce palete de turbine cu gaz folosind tehnologia de cristalizare direcțională HIP+. Acest lucru face ca materialul să fie 99,95% dens și îl face cu 40% mai rezistent la fluaj. Poate funcționa timp de 100.000 de ore fără a-și schimba forma la o temperatură de 1200 de grade.