วิธีการอบชุบด้วยความร้อนทั่วไปสำหรับการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะมีอะไรบ้าง

1. การอบอ่อน: กำจัดความเครียดที่เหลือและทำให้ขนาดมีเสถียรภาพมากขึ้น
กระบวนการหลอมเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนชิ้นส่วนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด (โดยปกติจะต่ำกว่าอุณหภูมิการตกผลึกซ้ำ) โดยคงไว้ตรงนั้นเป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจึงค่อย ๆ ทำให้ชิ้นส่วนเย็นลง ซึ่งจะช่วยคลายความเครียดภายในวัสดุ ปรับแต่งหรือตกผลึกใหม่ของเกรน และปรับปรุงประสิทธิภาพการประมวลผลและความเสถียรของมิติ
ใช้ที่ไหน:
การบรรเทาความเครียด: วิธีการหลอมด้วยเลเซอร์ผงเบด (SLM) อาจทำให้เกิดความเค้นตกค้างเนื่องจากจะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว การหลอมสามารถช่วยลดระดับความเครียดเพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุงอหรือแตกออกในระหว่างการประมวลผลหรือการใช้งานในภายหลัง ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนโครงสร้างของเครื่องบินมักจะอบอ่อนที่ 600–650 องศาหลังการพิมพ์ ซึ่งช่วยลดความเครียดได้มากกว่า 80%
การเพิ่มความเป็นพลาสติก: การหลอมช่วยปรับแต่งขนาดเกรนของชิ้นส่วนโลหะผสมไทเทเนียมที่พิมพ์แล้ว (เช่น Ti6Al4V) และเพิ่มความยืดตัวขึ้น 15% ถึง 20% ทำให้ดีขึ้นสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องขึ้นรูปเย็น
การรักษาเสถียรภาพของมิติ: แม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำหรือชิ้นส่วนเชิงแสงสามารถหยุดการเบี่ยงเบนของมิติที่เกิดขึ้นเมื่อแรงดึงถูกปล่อยออกมาผ่านการอบอ่อน ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานที่มีความแม่นยำสูง-
ในกรณีของการผลิตหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ LEAP GE Aviation ใช้เทคโนโลยีการหลอมเพื่อลดความเค้นตกค้างของชิ้นส่วนที่พิมพ์จาก 300MPa เหลือน้อยกว่า 50MPa ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนมีเสถียรภาพมากขึ้นในการตั้งค่า-แรงดันสูงและอุณหภูมิสูง-
2. การบำบัดด้วยสารละลายและความชรา: ทำให้โลหะผสมแข็งแรงขึ้น
หลักการของกระบวนการ:
การบำบัดด้วยสารละลายของแข็ง: ให้ความร้อนโลหะผสมจนถึงโซนเฟสเดียว-อุณหภูมิสูง-เพื่อละลายอะตอมของตัวถูกละลายจนหมด ทำให้เกิดสารละลายของแข็งที่มีความอิ่มตัวยวดยิ่ง ตามด้วยการทำความเย็นอย่างรวดเร็ว (เช่น การดับน้ำ) เพื่อรักษาโครงสร้างอุณหภูมิสูง-
การรักษาตามเวลา: เก็บสารละลายของแข็งที่มีความอิ่มตัวยวดยิ่งไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า (โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 100 ถึง 500 องศา ) เพื่อสลายมันและสร้างระยะการเสริมกำลัง เช่น ระยะ ' สิ่งนี้จะทำให้วัสดุแข็งแกร่งขึ้นและแข็งขึ้นมาก
ตัวอย่างการใช้งาน:
โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีนิกเกิล- เช่น อินโคเนล 718 จำเป็นต้องได้รับการบำบัดด้วยสารละลายที่เป็นของแข็ง (980–1010 องศา ) และการดูแลรักษาตามอายุ (720 องศา × 8ชม.+620 องศา × 8 ชม.) หลังจากการพิมพ์ มีความต้านทานแรงดึงมากกว่า 1,500MPa ซึ่งแข็งแรงเพียงพอสำหรับจานกังหันของเครื่องยนต์เครื่องบิน
อลูมิเนียมอัลลอยด์ เช่น AlSi10Mg จะแข็งขึ้น 30% หลังจากการอบชุบด้วยความร้อน T6 (การบ่มสารละลายของแข็ง 505 องศา + 170 องศา) ทำให้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างน้ำหนักเบา
เพื่อให้ได้ส่วนผสมที่ลงตัวระหว่างความแข็งแกร่งและความเหนียว โลหะผสมไทเทเนียม Ti6Al4V จะถูกบำบัดด้วยสารละลายของแข็ง (950 องศา ) และการบ่ม (550 องศา ) ทำให้เป็นผลดีต่อการปลูกถ่ายกระดูก
ตัวอย่างเช่น ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ Raptor ของ SpaceX สร้างจากชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย Inconel 718 ซึ่งคงความแข็งแกร่งแม้จะถูกให้ความร้อนถึง 2,000 องศาเซลเซียสเป็นเวลานาน ซึ่งทำให้สามารถใช้จรวดซ้ำแล้วซ้ำเล่าได้
3. การกดแบบไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP): กำจัดข้อบกพร่องภายในและทำให้วัสดุมีความหนาแน่นมากขึ้น
หลักการของกระบวนการ: ใน HIP ชิ้นส่วนจะถูกใส่ในภาชนะแรงดันสูง-และสัมผัสกับบรรยากาศก๊าซเฉื่อย (เช่น อาร์กอน) ที่มีอุณหภูมิสูง (โดยทั่วไปคือ 1,000–1200 องศา ) และแรงดันสูง (100–200 MPa) สิ่งนี้ทำให้วัสดุเปลี่ยนรูปร่าง ปิดรูพรุนและรอยแตกขนาดเล็ก และมีความหนาแน่นเกือบ 100%
ใช้กรณี:
ใบพัดกังหันและห้องเผาไหม้เป็นสองส่วนสำคัญของเครื่องบินที่ต้องสามารถรองรับอุณหภูมิและความเครียดที่สูงมากได้ การรักษาด้วย HIP สามารถแก้ไขปัญหาการยึดเกาะของชั้นต่าง ๆ และทำให้อายุความเมื่อยล้ายาวนานขึ้น 3 ถึง 5 เท่า
การรักษา HIP ใช้กับการปลูกถ่ายทางการแพทย์ รวมถึงถ้วยอะซีตาบูลาร์และอุปกรณ์เชื่อมกระดูกสันหลัง เพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุไม่มีรูพรุน- ลดอันตรายจากการปล่อยไอออนของโลหะ และเป็นไปตามมาตรฐานที่เข้มงวดของ FDA สำหรับความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
HIP สามารถแก้ไขปัญหาที่เกิดจากการรองรับภายในที่เหลืออยู่ในชิ้นส่วนโครงสร้างที่ซับซ้อน รวมถึงหัวฉีดเครื่องยนต์พร้อมช่องระบายความร้อน เพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้ดี
ตัวอย่างเช่น Siemens Energy ใช้การบำบัดแบบ HIP เพื่อสร้างใบพัดกังหันก๊าซ ซึ่งจะช่วยลดความพรุนของชิ้นส่วนที่พิมพ์จาก 0.5% เป็น 0.01% ปรับปรุงประสิทธิภาพการคืบของอุณหภูมิสูง-ได้ถึง 40% และช่วยให้ใบมีดมีอายุการใช้งานมากกว่า 100,000 ชั่วโมง
4. การชุบและแบ่งเบาบรรเทา: ค้นหาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความแข็งและความเหนียว
หลักการของกระบวนการ:
การชุบแข็ง: ให้ความร้อนชิ้นส่วนจนถึงอุณหภูมิที่เปลี่ยนเป็นออสเทนไนต์แล้วจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (เช่น ด้วยน้ำมันหรือน้ำ) เพื่อสร้างโครงสร้างมาร์เทนซิติกที่แข็งมาก
การแบ่งเบาบรรเทา: เพื่อสลายมาร์เทนไซต์ กำจัดความเครียดในการดับ และทำให้วัสดุแข็งแกร่งขึ้น ให้เก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า (150–650 องศา)
สามารถใช้ได้ที่ไหน:
เหล็กกล้าเครื่องมือ: ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าแม่พิมพ์งานร้อน H13 จะถูกดับที่ 1,050 องศา และอบคืนตัวที่ 580 องศา หลังจากการพิมพ์ มีความแข็ง 52HRC และประสิทธิภาพความล้าจากความร้อนเพิ่มขึ้น 50% ทำให้เหมาะสำหรับแม่พิมพ์หล่อ-
การชุบแข็ง (1,050 องศา ) และการอบชุบด้วยอุณหภูมิต่ำ-(200 องศา ) ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิม เช่น 316L มีความแข็งแรงและทนทานต่อการกัดกร่อนมากขึ้น ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับอุปกรณ์เคมี
หลังจากสารละลายแข็งและการบำบัดริ้วรอยแล้ว เหล็กกล้ามาร์เทนซิติกเอจจิ้ง เช่น 18Ni300 อาจมีความแข็งแรงสูงถึง 2000MPa ใช้สำหรับแม่พิมพ์หรือชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูง-ของโครงสร้างการบินและอวกาศ
Boeing ใช้กระบวนการชุบแข็งเพื่อผลิตชิ้นส่วนแลนดิ้งเกียร์โลหะผสมไททาเนียมที่พิมพ์แบบ 3 มิติ ทำให้มีความทนทานต่อการกระแทก (35J/ซม.²) มากขึ้น ในขณะเดียวกันก็รักษาความแข็งแกร่งไว้สูง ซึ่งเป็นสิ่งที่ FAA กำหนดสำหรับการรับรองความสมควรเดินอากาศ
5. การอบชุบด้วยความร้อนแบบวงจร: ปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของซูเปอร์อัลลอย
หลักการของกระบวนการ: โครงสร้างจุลภาคของวัสดุถูกควบคุมโดยผ่านรอบการให้ความร้อนและความเย็นหลายรอบ ซึ่งรวมถึงการปรับปรุงขนาดเกรนและทำให้การกระจายองค์ประกอบสม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งดีสำหรับซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิล-ซึ่งตัดเฉือนได้ยาก
เมื่อใดควรใช้:
CMSX-โลหะผสมคริสตัลเดี่ยว 4 ชิ้น: หลังจากการพิมพ์ จะต้องผ่านการบำบัดความร้อนหลายขั้นตอน (1280 องศา เป็นเวลา 2 ชั่วโมง, 1120 องศา เป็นเวลา 4 ชั่วโมง และ 870 องศา เป็นเวลา 24 ชั่วโมง) เพื่อกำจัดการแยกตัวของเดนไดรต์และทำให้ดีขึ้นที่อุณหภูมิสูง
การอบชุบด้วยความร้อนแบบวงจรสามารถปรับปรุงการกระจายตัวของคาร์ไบด์และทำให้โลหะผสมที่มีโคบอลต์- เช่น สเตลไลต์ มีความทนทานต่อการสึกหรอมากขึ้น 6 20% ทำให้เหมาะสำหรับพื้นผิวซีลวาล์ว
ในสถานการณ์ทั่วไป โรลส์รอยซ์ใช้การบำบัดความร้อนแบบวงจรเพื่อสร้างจานกังหันของเครื่องยนต์อากาศยาน RB3025 สิ่งนี้จะเพิ่มอายุการใช้งานความล้ารอบต่ำของชิ้นส่วนที่พิมพ์จาก 5,000 รอบเป็น 20,000 รอบ ซึ่งช่วยสร้างเครื่องยนต์รุ่นใหม่
6. แนวโน้มและปัญหาในอุตสาหกรรม
การควบคุมอัจฉริยะ: อัลกอริธึม AI เปลี่ยนการตั้งค่าการรักษาความร้อนได้ทันทีโดยจับตาดูข้อมูลอุณหภูมิและความเครียดแบบเรียลไทม์ ซึ่งจะทำให้คุณสามารถควบคุม "หนึ่งเตาหลอม หนึ่งนโยบาย" ได้อย่างแน่นอน
กระบวนการคอมโพสิต: ด้วยการรวมการรักษาความร้อนเข้ากับ HIP การเคลือบผิว และกระบวนการอื่นๆ เรามีโซลูชันแบบครบวงจรที่เรียกว่า "การพิมพ์การเคลือบการรักษาความร้อน" ซึ่งทำงานได้ดีขึ้นและเร็วขึ้น
ความสามารถในการปรับตัวของวัสดุ: เพื่อให้การพิมพ์ 3 มิติมีประโยชน์มากขึ้น วัสดุโลหะใหม่ เช่น โลหะผสมเอนโทรปีสูงและโลหะผสมอสัณฐานจะต้องได้รับการบำบัดความร้อน-ด้วยวิธีที่เป็นนวัตกรรมใหม่
ยาก
ต้นทุน: การลงทุนและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานจำนวนมากของเทคโนโลยี HIP ทำให้เป็นเรื่องยากสำหรับธุรกิจขนาดเล็กและขนาดกลาง-ที่จะสามารถซื้อได้
การควบคุมการเสียรูป: ในระหว่างการบำบัดความร้อน ชิ้นส่วนโครงสร้างที่ซับซ้อนอาจบิดเบี้ยวได้ ดังนั้นการออกแบบรองรับจึงต้องได้รับการปรับปรุงผ่านการจำลอง
การขาดมาตรฐาน: อุตสาหกรรมไม่มีกฎเกณฑ์ชุดเดียวสำหรับกระบวนการบำบัดความร้อน และจำเป็นต้องมีระบบมาตรฐานห่วงโซ่ที่ครอบคลุมตั้งแต่วัสดุไปจนถึงชิ้นส่วน