บทบาทของการอบร้อนเพื่อบรรเทาความเครียดในการพิมพ์โลหะ 3D คืออะไร?

1. วิธีการก่อตัวและอันตรายจากความเครียดตกค้าง
ลักษณะทางกายภาพของการสะสมความเครียดจากความร้อน
ลำแสงเลเซอร์หรืออิเล็กตรอนสร้างอุณหภูมิที่สูงมาก (มากกว่า 2,000 องศา) ในพื้นที่เล็กๆ ในระหว่างกระบวนการพิมพ์โลหะ 3 มิติ สิ่งนี้จะละลายผงโลหะและทำให้เกิดกลุ่มโลหะหลอมเหลว เมื่อลำแสงเลเซอร์ถูกเลื่อนออกไป สระที่หลอมละลายจะเย็นลงและแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้อุณหภูมิในบริเวณใกล้เคียงเปลี่ยนแปลงไป การขยายตัวและการหดตัวเนื่องจากความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอนี้ทำให้เกิดสนามความเค้นที่ซับซ้อนภายในชิ้นส่วน เมื่อพิมพ์ฉากยึดการบินโลหะผสมไทเทเนียม โครงสร้างแบบแขวนไม่มีการรองรับใด ๆ และความเค้นในท้องถิ่นอาจสูงถึง 80% ของความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุ ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัดแบริ่งของวัสดุมาก
ปัญหาทั่วไปที่ทำให้เกิดความเครียด
หากไม่ปล่อยแรงตึงตกค้างอย่างรวดเร็ว จะก่อให้เกิดปัญหาหลักสามประการ:
ความไม่มั่นคงทางเรขาคณิต: เมื่อแรงดึงมากเกินไปจนวัสดุเกาะติดกับซับสเตรต ชิ้นส่วนจะโค้งงอและเปลี่ยนรูปร่าง กรณีศึกษาใบมีดของเครื่องยนต์เครื่องบินพบว่าใบมีดที่ไม่ได้รับการโค้งงอ 3.2 มม. หลังการพิมพ์ ซึ่งเกินกว่าค่าความคลาดเคลื่อน 0.1 มม. ที่จำเป็นสำหรับการประกอบ
การเกิดรอยแตกร้าว: ตำแหน่งที่ความตึงเครียดก่อตัวขึ้นน่าจะเป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกร้าว เมื่อพิมพ์จานกังหันโลหะผสมอุณหภูมิสูง-ที่ใช้นิกเกิล- ชิ้นส่วนที่ไม่ผ่านการบำบัดจะมีอัตราการเกิดรอยแตกร้าวที่ 42% แต่หลังจากการอบชุบด้วยความร้อน ชิ้นส่วนจะลดลงเหลือน้อยกว่า 2%
ประสิทธิภาพการทำงานลดลง: ความเค้นตกค้างอาจทำให้อายุการใช้งานของวัสดุสั้นลง การทดลองได้แสดงให้เห็นว่าส่วนประกอบที่เป็นสเตนเลสสตีล 316L ในสถานะที่ไม่ผ่านการบำบัดส่งผลให้อายุการใช้งานความล้าในรอบสูงลดลง 60% เมื่อเทียบกับสภาวะหลังการบำบัดด้วยความร้อน-
2. ทฤษฎีทางเทคนิคและกระบวนการดำเนินการบำบัดความร้อนเพื่อบรรเทาความเครียด
วิธีทางกายภาพในการคลายความตึงเครียด
การอบชุบด้วยความร้อนเพื่อบรรเทาความเครียดหมายถึงการให้ความร้อนแก่ชิ้นส่วนจนถึงช่วงอุณหภูมิที่กำหนด (โดยทั่วไปคือ 0.4 ถึง 0.6 เท่าของจุดหลอมเหลว) เพื่อให้วัสดุมีความยืดหยุ่นสูง ที่อุณหภูมินี้ ความสามารถของอะตอมในการเคลื่อนที่ได้รับการปรับปรุง และข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ เช่น การเคลื่อนตัวและรูต่างๆ จะถูกจัดระเบียบใหม่ ซึ่งจะค่อยๆ ปลดปล่อยความเครียดภายในโดยการเสียรูปพลาสติกเล็กๆ น้อยๆ ยกตัวอย่างโลหะผสมที่มีนิกเกิล- Inconel 718 หลังจากฉนวนที่อุณหภูมิ 620 องศาเป็นเวลา 4 ชั่วโมง ความเค้นตกค้างสามารถลดลงจาก 380 MPa เหลือน้อยกว่า 50 MPa
การควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการที่แม่นยำ
สิ่งสำคัญที่ส่งผลต่อการบำบัดความร้อนเพื่อบรรเทาความเครียดคืออัตราการทำความร้อน อุณหภูมิของฉนวน เวลาที่ใช้ในการเป็นฉนวน และวิธีที่ฉนวนเย็นลง:
อัตราการทำความร้อน: คุณไม่ควรร้อนเร็วเกินไป เนื่องจากอาจสร้างความเครียดเพิ่มเติมได้ อัตราการทำความร้อนสำหรับชิ้นส่วนโลหะผสมอลูมิเนียมควรเก็บไว้ให้น้อยกว่าหรือเท่ากับ 10 องศา /นาที
อุณหภูมิฉนวน: มักออกแบบให้ต่ำกว่าอุณหภูมิที่ผลึกก่อตัว ช่วงอุณหภูมิปกติสำหรับการอบชุบโลหะผสมไทเทเนียม Ti6Al4V คือ 593 ถึง 649 องศาเซลเซียส นี่เป็นวิธีที่ดีที่สุดในการบรรเทาความตึงเครียดและปรับปรุงโครงสร้างของเกรน
วิธีทำให้เย็นลง: ใช้การทำความเย็นของเตาเผาหรืออัตราการทำความเย็นแบบควบคุมเพื่อหลีกเลี่ยงความเครียดที่เกิดจากการทำความเย็นเร็วเกินไป ตัวอย่างการปลูกถ่ายทางการแพทย์แสดงให้เห็นว่าเทคนิคการทำให้เย็นลงในระยะ (600 องศา → 400 องศา → อุณหภูมิห้อง) อาจควบคุมการเสียรูปของส่วนประกอบภายใน 0.05 มม.
ประโยชน์ของสภาพแวดล้อมสุญญากาศ
การอบชุบด้วยความร้อนสุญญากาศกลายเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับ-การผลิตระดับไฮเอนด์ เนื่องจากช่วยขจัดความเสี่ยงของการเกิดออกซิเดชันและการปนเปื้อน การทดสอบของบริษัท TAV Vacuum Furnace เปิดเผยว่าส่วนประกอบสแตนเลส 316L ที่ได้รับความร้อน-ในสุญญากาศมีพื้นผิวที่เรียบกว่า 40% และทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่า 25% เมื่อเทียบกับชิ้นส่วนที่ได้รับความร้อน-ในอากาศ นอกจากนี้ บรรยากาศสุญญากาศยังสามารถหยุดปัญหาต่างๆ เช่น การแตกตัวของไฮโดรเจน ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับอุตสาหกรรมเครื่องบินซึ่งความบริสุทธิ์ของวัสดุเป็นสิ่งสำคัญมาก
3. ประโยชน์ของการบำบัดความร้อนเพื่อบรรเทาความเครียดในโลกแห่งความเป็นจริงและในธุรกิจ
รับประกันประสิทธิภาพในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
การอบชุบด้วยความร้อนเพื่อคลายความเครียดถือเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตใบพัดของเครื่องยนต์การบิน เนื่องจากจะทำให้ชิ้นส่วนต่างๆ มีความน่าเชื่อถือ GE Aviation ได้ปรับปรุงเทคนิคการรักษาความร้อน เพื่อลดความเค้นตกค้างในใบมีดโลหะผสมนิกเกิลผลึกเดี่ยว-ได้ถึง 75% และทำให้มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นสามเท่า อายุการใช้งานความล้าในรอบต่ำของจานกังหันในเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนบางประเภทได้เพิ่มขึ้นจาก 500 รอบเป็น 2,000 รอบหลังจากการอบชุบด้วยความร้อน สิ่งนี้ตอบสนองความต้องการของการออกแบบที่มีอายุการใช้งานยาวนาน-
การปรับปรุงความเข้ากันได้ทางชีวภาพของการปลูกถ่ายทางการแพทย์
การปลูกถ่ายกระดูกและข้อที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียมจะต้องมีทั้งความแข็งแรงและความยืดหยุ่นสูง การใช้ความร้อนเพื่อบรรเทาความเครียดสามารถลดโมดูลัสยืดหยุ่นของการปลูกถ่าย และกำจัดความเครียดจากการประมวลผล ซึ่งสามารถช่วยลด "ผลการป้องกันความเครียด" หลักฐานการทดลองบ่งชี้ว่าโมดูลัสของการปลูกถ่าย Ti6Al4V หลัง-การบำบัดด้วยความร้อนลดลงจาก 110 GPa เป็น 85 GPa ซึ่งอยู่ในแนวเดียวกันกับเนื้อเยื่อกระดูกของมนุษย์มากขึ้น (10-30 GPa) และช่วยเพิ่มการบูรณาการของกระดูกได้อย่างมาก
การผลิตแม่พิมพ์ด้วยการควบคุมที่แม่นยำ
เมื่อพิมพ์เหล็กแม่พิมพ์แบบ 3D การอบชุบด้วยความร้อนเพื่อบรรเทาความเครียดสามารถหยุดการเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อนไม่ให้เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการพิมพ์ และตรวจสอบให้แน่ใจว่าช่องแม่พิมพ์มีขนาดที่เหมาะสม กรณีแม่พิมพ์รถยนต์บางกรณีบ่งชี้ว่าภายหลังการอบชุบด้วยความร้อน ความทนทานต่อมิติของโพรงแม่พิมพ์จะเปลี่ยนจาก ± 0.1 มม. เป็น ± 0.02 มม. ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการฉีดขึ้นรูปที่มีความแม่นยำ ในเวลาเดียวกัน การรักษาความร้อนสามารถทำให้แม่พิมพ์มีความทนทานต่อการสึกหรอมากขึ้น ซึ่งสามารถยืดอายุการใช้งานได้สองเท่าหรือสามเท่า