Cum afectează parametrii tratamentului termic performanțele finale ale piesei?

1. Parametru de temperatură: reconstrucția microstructurii condusă de tranziția de fază
Controlul temperaturii soluției solide și al compoziției fazei
Temperatura tratamentului cu soluție are un efect direct asupra cât de bine se dizolvă elementele de aliere în matricea metalică. Miezul de întărire al oțelului inoxidabil 17-4PH imprimat 3D este particulele de cupru care cad din matricea sa martensitică. Când temperatura soluției solide este menținută între 1040 și 1080 de grade, elementul de cupru se dizolvă în întregime în matricea de austenită, creând o soluție solidă suprasaturată. Dacă temperatura este sub 1000 de grade, particulele de cupru rămase nu vor întări suficient materialul. Dacă temperatura depășește 1100 de grade, materialul va deveni mai puțin robust deoarece boabele vor deveni mai mari. Conform cercetărilor de la Institutul de Metale din cadrul Academiei Chineze de Științe, tratamentul HIP la 950 de grade poate ajuta „martensitei să se transforme într-o structură + în două faze în aliajul Ti6Al4V. Aceasta crește alungirea la 13,15%, menținând în același timp limita de curgere la 909,5MPa.
Îmbunătățirea comportamentului de temperatură și precipitații la îmbătrânire
Tratamentul în timp face lucrurile mai puternice prin gestionarea dimensiunii și răspândirii particulelor din a doua fază. Echipa Universității de Tehnologie din Shanghai a îmbătrânit aliajul CuCrZr fabricat de SLM la 500 de grade timp de 1 oră. Acest lucru i-a crescut rezistența la tracțiune de la 460 MPa la 585 MPa și conductivitatea de la 31% IACS la 64% IACS. Mecanismul de întărire se bazează pe faptul că atomii de Cr ies din matricea de cupru în timpul procesului de îmbătrânire. Acest lucru creează particule CrxZry la scară nanometrică care opresc migrarea dislocării prin mecanismul de întărire Orowan. Pe măsură ce temperatura de îmbătrânire crește până la 550 de grade, fazele precipitate sunt mai grosiere, ceea ce face materialul mai slab. Cu toate acestea, materialul devine mai ductil, cu o creștere cu 20% a ductilității datorită scăderii rezistenței la alunecare la dislocare.
2. Parametrul de timp: echilibrul dintre repararea erorilor și performanță
Timpul de reținere și eficacitatea închiderii porilor
Durata de mentinere are un impact direct asupra cat de bine sunt reparati porii dupa tratamentul HIP. Cercetările privind procesul HIP al aliajului Ti6Al4V arată că la 920 de grade /140MPa, un tratament de 2 ore poate reduce porozitatea de la 0,8% la 0,02% și poate atinge o densitate de 99,99%; Dacă timpul de menținere este extins la 4 ore, porozitatea scade în continuare la 0,005%, dar dimensiunea granulelor crește de la 10 μm la 15 μm, rezultând o scădere cu 8% a limitei de curgere. Aceasta înseamnă că, în timp ce timpul de păstrare poate face lucrurile mai dense, poate induce și creșterea ciudată a boabelor. Deci, trebuie găsit un echilibru între remedierea defectelor și menținerea performanței.
Cinetica schimbării de fază și timpul de izolare
Timpul de izolare al tratamentului cu soluție solidă ar trebui să se asigure că toate elementele aliajului sunt complet dizolvate. Pentru aliajul-imprimat 3D IN718 la temperatură înaltă-, menținerea acestuia la 1080 de grade timp de 1 oră poate dizolva complet elementul Nb din matrice. Dacă perioada de izolare este redusă la 30 de minute, faza de întărire a lui „” nu poate precipita complet, ceea ce face ca performanța de fluaj la temperatură înaltă-scădere cu 40%. Durata timpului în care materialul este izolat în timpul tratamentului de îmbătrânire influențează dimensiunea fazelor care se formează. De exemplu, după îmbătrânirea la 720 de grade timp de 8 ore, faza „” din aliajul 718 are o dimensiune de 50 nm, ceea ce este cel mai bun pentru întărire. După 16 ore de îmbătrânire, faza precipitată a crescut la 100 nm, ceea ce a făcut ca rezistența să scadă cu 15%.
3. Viteza de racire: rafinarea organizarii si controlul stresului rezidual
Viteza de stingere și producerea martensitei
Viteza cu care metalul se răcește în timpul călirii influențează ce produse de tranziție de fază va avea. Pentru oțelul de scule H13 imprimat 3D, viteza de răcire a uleiului de stingere de 50 de grade/s poate face martensită de tăiței plat cu o duritate de 52HRC. Daca o racesti cu aer (5 grade/s), se va forma structura bainita si duritatea va scadea la 40HRC. Chiar dacă stingerea rapidă poate îngreuna lucrurile, le poate provoca, de asemenea, să se spargă. Pentru a găsi echilibrul potrivit între duritate și stresul rezidual, este necesară călirea gradată (de exemplu, mai întâi răcirea la 600 de grade și apoi răcirea cu ulei).
O rată lentă de răcire și ameliorarea stresului
Viteza de răcire lentă în timpul tratamentului de recoacere are un efect asupra modului în care este eliberată stresul rezidual. A fost nevoie de 2 ore pentru a răci aliajul de aluminiu AlSi10Mg pentru imprimarea 3D de la 300 de grade la temperatura camerei cu o rată de 5 grade/min. Acest lucru a redus stresul rezidual cu 70%. Dacă viteza de răcire este crescută la 20 de grade/min, stresul rezidual va scădea doar cu 30%. Răcirea lentă ajută la rearanjarea dislocării și la migrarea granițelor, ceea ce ameliorează stresul. Cu toate acestea, o viteză de răcire prea lentă poate face ca boabele să devină mai grosiere, prin urmare sunt necesare setări adecvate de optimizare a materialului.
4. Optimizare colaborativă cu mai mulți-parametri: de la „încercare și eroare” la „control precis”
Tehnologia digitală dublă conduce predicția parametrilor
Siemens și Boeing au lucrat împreună pentru a realiza o platformă digitală dublă care poate arăta cum se modifică câmpul de temperatură, câmpul de stres și microstructura aliajului Ti6Al4V imprimat 3D în timpul tratamentului HIP. Sistemul poate găsi cea mai bună metodă HIP (cum ar fi 920 de grade /140MPa/2h) ținând cont de lucruri precum porozitatea de pornire și dimensiunea granulelor. Acest lucru poate face ca piesele să dureze de trei ori mai mult și să reducă numărul de teste la jumătate.
Inversarea parametrilor cu ajutorul machine learning
GE Aviation folosește tehnici de învățare automată pentru a analiza 100.000 de seturi de date de tratament termic și pentru a crea un model de mapare a „performanței vitezei de răcire temperatură, timp”. Acest model poate determina setările de proces care vor funcționa pentru anumite nevoi de performanță. Atunci când aliajul IN718 trebuie să mențină o durată de viață de 1000 de ore la 650 de grade, de exemplu, sistemul sugerează o schemă de proces de 1080 de grade/1h soluție solidă+720 grad/8h de îmbătrânire. Durata de viață măsurată la fluaj este de 1200 de ore.
5. Studiu de caz al unei industrii: trecerea de la laborator la fabrică
Domeniul aerospațial
Pentru a îmbunătăți imprimarea 3D a discurilor de turbină din aliaj de-înaltă temperatură pe bază de nichel, Rolls Royce adoptă tratamentul HIP. Piesele tratate cu HIP au o durată de viață de 173 de ore la o temperatură ridicată de 1400 de grade, ceea ce reprezintă mai mult de cele 50 de ore necesare pentru componentele esențiale ale motoarelor GE9X.
Domeniul implanturilor medicale
După 950 de grade timp de 4 ore de tratament HIP pe implantul articulației șold Ti6Al4V imprimat 3D de la Johnson&Johnson, rezistența sa maximă la oboseală a atins 550MPa (107 cicluri), care este aceeași cu starea forjată recoaptă. Simultan, rugozitatea suprafeței Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.