Dapatkah perlakuan panas meningkatkan kinerja kelelahan komponen cetakan 3D logam?

一, Masalah utama dengan kinerja kelelahan adalah komponen cetakan 3D memiliki kesalahan sejak lahir.
Masalah kinerja kelelahan pencetakan 3D logam berasal dari cara pembuatannya. Menggunakan paduan titanium (Ti-6Al-4V) sebagai contoh, metode peleburan lapisan serbuk (PBF) dengan cepat melelehkan serbuk logam dan kemudian memadatkannya. Hal ini menyebabkan masalah berikut:
Heterogenitas struktur mikro: Butir utama memiliki struktur kolom yang kasar, dengan lebih banyak fase di dekat tepi butir, sehingga memudahkan terjadinya retakan lelah.
Lubang dan celah: Jika bubuk tidak menyatu sepenuhnya atau gas larut, porositas bagian dalam bisa mencapai 0,5% hingga 2%, yang sangat menurunkan batas kelelahan.
Tegangan sisa: Tegangan tarik akibat pendinginan yang cepat dapat mencapai 50% hingga 70% dari kekuatan luluh material, sehingga mempercepat tumbuhnya retakan.
Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences, menemukan bahwa kekuatan tegangan lelah paduan titanium pencetakan 3D pada umumnya hanya 475 MPa, jauh lebih rendah dari 900 MPa yang seharusnya saat ditempa. Hal ini sebagian besar disebabkan oleh pori-pori dan tekstur kasar yang menyebabkan retakan.
2, Jalur teknologi perlakuan panas beralih dari menghilangkan cacat menjadi membuat organisasi menjadi lebih baik.
Dengan mengatur suhu, durasi, dan laju pendinginan, perlakuan panas memenuhi tiga tujuan utama:
1. Menghilangkan kekurangan di dalam: Teknologi pengepresan isostatik panas (HIP)
Proses HIP menggunakan gas inert, seperti argon, untuk memindahkan tekanan pada suhu yang sangat tinggi (900–1250 derajat ) dan tekanan yang sangat tinggi (100–200 MPa). Hal ini membuat material berubah bentuk dan menutup lubang di dalamnya. Misalnya:
Di bidang kedirgantaraan, GE Aviation menggunakan SLM untuk mencetak bilah turbin Inconel 718 dan kemudian HIP untuk merawatnya. Hal ini mengurangi porositas dari 0,8% menjadi 0,02% dan meningkatkan umur kelelahan tiga kali lipat.
Meningkatkan paduan titanium: Sebuah bisnis di Chongqing menggunakan perlakuan HIP untuk mencetak 3D Ti-6Al-4V. Hal ini meningkatkan batas kelelahan dari 550 MPa menjadi 900 MPa, yang sama dengan kondisi tempa, dan menjadikan material tersebut jauh lebih anisotropik.
2. Teknologi rekristalisasi terarah digunakan untuk membuat ukuran butir lebih seragam dan struktur mikro lebih seragam.
Prosedur rekristalisasi terarah MIT mengontrol gradien suhu (misalnya, menggambar pada 2,5 mm/jam pada 1235 derajat ) untuk membuat struktur kristal kolumnar dengan membuat butiran tumbuh ke arah tertentu. Teknologi ini:
Untuk menghentikan mulur, sejajarkan kristal kolumnar dengan sumbu tegangan tertinggi, hentikan pergeseran batas butir pada suhu tinggi, dan gandakan umur mulur paduan suhu tinggi-berbasis nikel.
Meningkatkan ketahanan lelah: Dalam penggunaan bilah turbin gas, menghilangkan butiran kasar dan cacat dislokasi akan meningkatkan ketahanan terhadap timbulnya retakan lelah sebesar 60%.
3. Pengendalian perubahan fasa: larutan padat dengan pengobatan penuaan
Untuk material seperti paduan aluminium, perlakuan larutan (seperti menahan pada suhu 540 derajat selama 2 jam) memecah fase penguatan. Kemudian, perlakuan penuaan (seperti menahan pada suhu 155 derajat selama 8 jam) membuat endapan skala nano (seperti fase θ ').
Keseimbangan kekuatan dan ketangguhan: Setelah perlakuan panas T6, kekuatan luluh paduan aluminium F357 meningkat dari 280 MPa menjadi 380 MPa, namun perpanjangannya tetap sama yaitu 12%.
Proses URQ-HIP dari Quintus Technologies memadukan larutan padat dan-perlakuan bertekanan tinggi untuk menjaga pori-pori agar tidak terbuka kembali, sehingga paduan aluminium F357 memiliki masa lelah yang lebih lama dibandingkan pengecoran standar MMPDS.
3, Praktek Teknik: Transisi dari Laboratorium ke Industrialisasi
1. Bidang dirgantara
Siemens menggunakan SLM untuk mencetak bilah paduan suhu tinggi-berbasis nikel. Bilah-bilah ini kemudian diolah dengan HIP dan rekristalisasi terarah untuk menambah saluran pendinginan yang rumit, sehingga membuat turbin 5% lebih efisien dan menggunakan bahan bakar 3% lebih sedikit.
Bagian struktural yang ringan: Boeing 787 dilengkapi braket paduan titanium cetak 3D-yang dipanaskan dua kali (HIP+penuaan) untuk menjadikannya 40% lebih kuat dan 30% lebih ringan.
2. Industri alat kesehatan
Johnson&Johnson Medical melakukan anil sendi pinggul cetakan 3D dengan penyedot debu untuk menghilangkan sisa tekanan di permukaan. Mereka kemudian menggunakan pemolesan kimia untuk membuat permukaan lebih halus hingga Ra0,8 μm dan memberikan umur kelelahan lebih dari 20 tahun pada implan.
Desain anti-kelelahan: Teknik NAMP (pengaturan cacat dan jaringan-demi-langkah) dari Akademi Ilmu Pengetahuan China telah meningkatkan kekuatan kelelahan tarik implan Ti-6Al-4V dari 475 MPa menjadi 978 MPa, yang merupakan level tertinggi di dunia.
3. Topik peralatan energi
Perbaikan turbin gas: Tim MIT memperbaiki ruang pembakaran paduan berbasis nikel-cetak 3D dengan menggunakan perlakuan rekristalisasi terarah. Perlakuan ini membuat ruangan tersebut mampu menangani tegangan 200 MPa pada suhu tinggi 650 derajat dan memotong laju mulur sebesar 80%.
Suku cadang tenaga nuklir: Grup EDF di Prancis menerapkan perlakuan HIP pada sambungan pipa baja tahan karat cetak 3D. Hal ini menghilangkan kelemahan internal dan membuat sambungan lebih tahan terhadap korosi melalui perawatan solusi untuk memenuhi peraturan keselamatan nuklir.