การอบชุบด้วยความร้อนเปลี่ยนโครงสร้างผลึกของโลหะหรือไม่?

โครงสร้างคริสตัลคืออะไร และเหตุใดคุณจึงควรใส่ใจ?

โลหะไม่แข็งตลอดทาง - มันทำจากเมล็ดพืช

โลหะประกอบด้วยผลึกเล็กๆ ที่เรียกว่าธัญพืช เมล็ดข้าวแต่ละเมล็ดมีตาข่ายอะตอมที่ได้รับคำสั่ง และเมล็ดข้าวมาบรรจบกันที่ขอบเขตของเมล็ดข้าว ขนาด รูปร่าง การวางแนว และระยะภายในเกรนจะควบคุมพฤติกรรมทางกล

คำเปรียบเทียบ: ลองนึกถึงกำแพง อิฐที่เรียงซ้อนกันอย่างประณีต (เม็ดละเอียดและเท่ากัน) จะสร้างโครงสร้างที่แข็งแกร่งและสม่ำเสมอ การสุ่มกองหินที่มีขนาดต่างกัน (เมล็ดหยาบหรือเรียงเป็นแนว) ทำให้เกิดจุดอ่อน

โครงสร้างคริสตัลส่งผลต่อประสิทธิภาพของชิ้นส่วน-ในโลกจริงอย่างไร

เม็ดละเอียด → มีความแข็งแรงสูงขึ้นและต้านทานความล้าได้ดีขึ้น (Hall-ความสัมพันธ์ของเพชร)

เม็ดหยาบ → สูงดีกว่า-ต้านทานการคืบของอุณหภูมิสูง

Anisotropy → ชิ้นส่วน SLM มักจะทำงานแตกต่างกันตามทิศทางการขึ้นรูป (Z) และแนวนอน (XY) เนื่องจากมีเกรนเรียงเป็นแนว

ชิ้นส่วนที่ดูสมบูรณ์แบบอาจเสียหายได้หากโครงสร้างเกรนภายในไม่เอื้ออำนวย

กระบวนการ SLM ทำอะไรกับโครงสร้างคริสตัล?

โครงสร้างจุลภาคที่เป็นเอกลักษณ์ที่สร้างขึ้นโดยการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะเติมแต่ง

SLM เกี่ยวข้องกับอัตราการทำความเย็นที่ 10³–10⁶ องศา /วินาที ทำให้เกิดโครงสร้างที่ไม่-สมดุล:

เมล็ดเรียงเป็นแนวที่เติบโตในแนว epitaxxy ตามทิศทางการสร้าง (แกน Z-)

Ti-6Al-4V: Acicular ' martensite - แข็งแรงมากแต่เปราะ

AlSi10Mg: โครงข่ายซิลิคอนยูเทคติกละเอียดพิเศษ-ในเมทริกซ์อะลูมิเนียม

โลหะผสมนิกเกิล: โครงสร้างเดนไดรต์ที่มีการแยกองค์ประกอบ

เหล็กกล้า: มักเป็นมาร์เทนซิติก

สิ่งเหล่านี้แตกต่างอย่างมากจากการเทียบเท่าแบบหล่อหรือฟอร์จ ส่งผลให้มีความแข็งแรงสูงกว่าแต่มีความเหนียวและแอนไอโซโทรปีต่ำกว่าการพิมพ์ 3D แบบเติมโลหะชิ้นส่วน

ความเค้นตกค้างและความสัมพันธ์กับโครงสร้างผลึก

การไล่ระดับความร้อนอย่างรวดเร็วจะล็อคความเค้นที่ระดับขอบเขตของเกรน ตามที่-SLM Ti-6Al-4V สร้างขึ้นสามารถแสดงความเค้นตกค้างที่ 600–900 MPa ซึ่งเสี่ยงต่อการแตกร้าวหรือการบิดงอ

การอบชุบด้วยความร้อนเปลี่ยนโครงสร้างผลึกหรือไม่?

ใช่. การอบชุบด้วยความร้อนทำให้เกิดการฟื้นตัว (บรรเทาความเครียด) การตกผลึกใหม่ (การก่อตัวของเกรนใหม่) และการเจริญเติบโตของเกรน การเปลี่ยนแปลงที่แน่นอนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เวลา อัตราการเย็นตัว และเคมีของโลหะผสม

โลหะผสมไทเทเนียม (Ti-6Al-4V)

ตามที่-สร้างขึ้น: มีลักษณะเป็นกรด ' มาร์เทนไซต์เป็นส่วนใหญ่ (แข็งแรงแต่มีความเหนียวต่ำ)

การบรรเทาความเครียด (600–750 องศา ): มาร์เทนไซต์เริ่มสลายตัว

การบำบัดด้วยสารละลาย + ความชรา (STA) หรือ HIP (~900–950 องศา +): เปลี่ยนโครงสร้างเป็นลาเมลลาร์หรือเอคเพลา + ปรับปรุงความเหนียวและความเมื่อยล้า ขณะเดียวกันก็รักษาสมดุลของความแข็งแรง

โครงสร้างจุลภาคไทเทเนียม SLM หลังจากการหลอมเปลี่ยนจากมาร์เทนไซต์ที่เปราะไปเป็นเฟส + ที่สมดุลมากขึ้น

สแตนเลส (316L และ 17-4PH)

316L: ออสเตนนิติกและค่อนข้างเสถียร การรักษาความร้อนส่วนใหญ่จะบรรเทาความเครียดและทำให้เป็นเนื้อเดียวกันโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงเฟสที่สำคัญ แม้ว่าจะลดแอนไอโซโทรปีก็ตาม

17-4PH: มาร์เทนซิติกแบบ As-build การหลอมสารละลายจะเปลี่ยนกลับเป็นออสเทนไนต์ ความชราเร่งรัดขั้นตอนการเสริมสร้างความเข้มแข็ง ตอบสนองต่อการรักษาความร้อนได้ดีกว่า 316L มาก

อลูมิเนียมอัลลอยด์ (AlSi10Mg)

ตามที่-สร้างขึ้น: โครงข่ายซิลิคอนละเอียดมากที่ให้ความแข็งแรงสูงผ่านการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว การรักษา T6: การแก้ปัญหาจะทำให้เครือข่ายละลาย ความชราเร่งรัดขั้นตอนการเสริมสร้างความเข้มแข็ง อนุภาคซิลิคอนหยาบ (Ostwald สุก) ปรับปรุงความเหนียว แต่มักจะลดความแข็งแรงสูงสุดเล็กน้อย

การอบชุบด้วยความร้อนที่ดีที่สุดสำหรับชิ้นส่วนโลหะผสมอะลูมิเนียม SLM จำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงการบิดเบี้ยวมากเกินไปหรือการทำให้หยาบเกินไป-

นิกเกิล ซูเปอร์อัลลอย (IN625, IN718)

ตามที่-สร้าง: Dendritic พร้อมการแยก Nb/Mo การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน + สารละลาย + การแก่ชราสองเท่า: ลดการแยกตัว ก่อให้เกิดการตกตะกอน '' การข้ามการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันนำไปสู่คุณสมบัติที่ไม่สอดคล้องกันในชิ้นส่วนการพิมพ์ 3D แบบเติมเนื้อโลหะ IN718

เหล็กกล้าเครื่องมือและเหล็กกล้า Maraging (MS1 / 18Ni300)

ตามที่-สร้างขึ้น: เมทริกซ์มาร์เทนซิติก การเสื่อมสภาพ (480–520 องศา ): ก่อตัวเป็นตะกอนระหว่างโลหะละเอียด (Ni₃Ti ฯลฯ) ภายในเมทริกซ์มาร์เทนไซต์ ความแข็งเพิ่มขึ้นอย่างมาก (เช่น ~38 HRC → 50–54 HRC) โดยมีการเปลี่ยนแปลงขนาดน้อยที่สุด

ตารางเปรียบเทียบ

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างคริสตัลส่งผลต่อประสิทธิภาพทางกลอย่างไร

ความแข็งแกร่งกับความเหนียว แลกเปลี่ยน-ปิด

การอบชุบด้วยความร้อนมักจะแลกค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุดเพื่อการยืดตัวและความเหนียวที่ดีขึ้นมาก เครื่องชั่งนี้จำเป็นสำหรับการใช้งานจริง

ชีวิตที่เหนื่อยล้า - คุณสมบัติที่ได้รับผลกระทบมากที่สุดจากโครงสร้างของเกรน

เมล็ดเรียงเป็นแนวเป็น-ชิ้นส่วนที่สร้างขึ้นจะสร้างเส้นทางที่อ่อนแอสำหรับการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว การตกผลึกใหม่และการเปลี่ยนแปลงขอบเขตของเกรนหลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่เหมาะสมสามารถยืดอายุความล้าได้ประมาณ 20–40% หรือมากกว่า

การลด Anisotropy หลังการบำบัดความร้อน

เนื่องจาก-ชิ้นส่วน SLM ที่สร้างขึ้น: คุณสมบัติ XY มักจะดีกว่า Z 15–25% การรักษาที่เหมาะสมจะจำกัดช่องว่างนี้ให้แคบลงอย่างมาก ซึ่งสำคัญมากสำหรับการโหลดแบบหลาย- ทิศทาง

การอบชุบด้วยความร้อนช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของชิ้นส่วนที่พิมพ์แบบ 3 มิติโดยหลัก ๆ ผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างจุลภาคเหล่านี้ได้อย่างไร

สถานการณ์จริง

สถานการณ์ 1 - ชิ้นส่วนไทเทเนียมการบินและอวกาศขณะที่-สร้างชิ้นส่วนมาร์เทนซิติกที่แตกร้าวในการทดสอบแรงกระแทก หลังจากการสร้าง + โครงสร้างด้วย STA แล้ว เรขาคณิตที่เหมือนกันจะถูกส่งผ่านโดยมีระยะขอบ

สถานการณ์ 2 - ต้นแบบอะลูมิเนียม T6 ที่ก้าวร้าวมากเกินไปโดยซัพพลายเออร์ที่ไม่มีคุณสมบัติเหมาะสม ทำให้เกิดการหยาบของเกรนมากเกินไปและการบิดเบี้ยว 0.4 มม. ผู้ผลิตการพิมพ์ 3D แบบเติมโลหะที่ผ่านการรับรองพร้อมกระบวนการควบคุมได้ป้องกันสิ่งนี้

สถานการณ์ 3 - IN718 ชิ้นส่วนกังหันข้ามการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ±8 HRC การประมวลผลใหม่ทั้งหมดมีค่าใช้จ่ายสองเท่า