Apa saja metode perlakuan panas yang umum untuk pencetakan 3D logam?

1. Perawatan anil: menghilangkan sisa stres dan membuat dimensi lebih stabil.
Proses anil melibatkan pemanasan bagian tersebut hingga suhu tertentu (biasanya di bawah suhu rekristalisasi), menahannya di sana selama jangka waktu tertentu, dan kemudian mendinginkannya secara perlahan. Hal ini melepaskan tekanan internal pada material, memurnikan atau mengkristal ulang butiran, dan meningkatkan kinerja pemrosesan dan stabilitas dimensi.
Di mana menggunakannya:
Menghilangkan stres: Metode peleburan lapisan bubuk laser (SLM) mungkin meninggalkan sisa stres karena metode ini mendingin dengan sangat cepat. Annealing dapat membantu menurunkan tingkat tegangan agar material tidak bengkok atau pecah selama pemrosesan atau penggunaan selanjutnya. Misalnya, bagian struktur pesawat sering kali dianil pada suhu 600–650 derajat setelah pencetakan, yang menurunkan tegangan lebih dari 80%.
Meningkatkan plastisitas: Annealing memperhalus ukuran butiran bagian paduan titanium yang dicetak (seperti Ti6Al4V) dan meningkatkan perpanjangannya sebesar 15% hingga 20%, menjadikannya lebih baik untuk bagian yang perlu dibentuk dingin.
Stabilisasi dimensi: Cetakan presisi atau komponen optik dapat menghentikan penyimpangan dimensi yang terjadi saat tegangan dilepaskan melalui perlakuan anil, yang memenuhi-standar presisi tinggi.
Dalam hal pembuatan nozel bahan bakar untuk mesin LEAP, GE Aviation menggunakan teknologi anil untuk menurunkan tegangan sisa komponen cetakan dari 300MPa menjadi kurang dari 50MPa. Hal ini membuat komponen jauh lebih stabil dalam setelan-tekanan tinggi dan-suhu tinggi.
2. Perawatan dengan larutan dan penuaan: membuat paduan lebih kuat
Prinsip prosesnya:
Perlakuan larutan padat: Memanaskan paduan ke zona-fasa tunggal-bersuhu tinggi untuk melarutkan atom terlarut sepenuhnya, menghasilkan larutan padat lewat jenuh, diikuti dengan pendinginan cepat (seperti pendinginan air) untuk mempertahankan struktur-bersuhu tinggi.
Waktu perawatan: Simpan larutan padat lewat jenuh pada suhu yang lebih rendah (biasanya antara 100 dan 500 derajat ) untuk memecahnya dan membentuk fase penguatan seperti 'fase. Ini akan membuat material lebih kuat dan keras.
Contoh Penggunaan:
Paduan-suhu tinggi-berbasis nikel seperti Inconel 718 memerlukan perlakuan larutan padat (980–1010 derajat ) dan perlakuan penuaan (720 derajat × 8 jam+620 derajat × 8 jam) setelah dicetak. Mereka memiliki kekuatan tarik lebih dari 1500MPa, yang cukup kuat untuk cakram turbin mesin pesawat.
Paduan aluminium, seperti AlSi10Mg, menjadi 30% lebih keras setelah perlakuan panas T6 (larutan padat 505 derajat + 170 derajat penuaan). Ini membuatnya bagus untuk bagian struktural yang ringan.
Untuk mendapatkan perpaduan terbaik antara kekuatan dan ketangguhan, paduan titanium Ti6Al4V diolah dengan larutan padat (950 derajat) dan penuaan (550 derajat). Hal ini membuatnya baik untuk implan ortopedi.
Misalnya, ruang bakar mesin Raptor SpaceX terbuat dari komponen cetakan Inconel 718 yang tetap kuat bahkan setelah dipanaskan hingga 2000 derajat Celcius dalam waktu lama, sehingga roket dapat digunakan berulang kali.
3. Pengepresan isostatik panas (HIP): menghilangkan cacat internal dan membuat material lebih padat
Prinsip proses: Dalam HIP, komponen dimasukkan ke dalam-wadah bertekanan tinggi dan terkena atmosfer gas inert (seperti argon) dengan suhu tinggi (biasanya 1000–1200 derajat ) dan tekanan tinggi (100–200 MPa). Hal ini menyebabkan material berubah bentuk, menutup pori-pori dan retakan mikro, serta mencapai kepadatan hampir 100%.
Kasus Penggunaan:
Bilah turbin dan ruang bakar adalah dua bagian penting dari pesawat yang harus mampu menangani suhu dan tekanan yang sangat tinggi. Perawatan HIP dapat memperbaiki masalah ikatan antar lapisan dan membuat umur kelelahan 3 hingga 5 kali lebih lama.
Perawatan HIP digunakan pada implan medis termasuk cangkir asetabular dan perangkat fusi tulang belakang untuk memastikan bahan tersebut bebas pori-, menurunkan bahaya pelepasan ion logam, dan memenuhi standar ketat FDA untuk biokompatibilitas.
HIP dapat memperbaiki masalah yang disebabkan oleh sisa dukungan internal pada bagian struktural yang kompleks, termasuk nozel mesin dengan saluran pendingin, untuk memastikannya berfungsi dengan baik.
Misalnya, Siemens Energy menggunakan perlakuan HIP untuk membuat bilah turbin gas. Hal ini menurunkan porositas komponen yang dicetak dari 0,5% menjadi 0,01%, meningkatkan-kinerja mulur suhu tinggi sebesar 40%, dan memberikan umur pisau lebih dari 100.000 jam.
4. Quenching dan tempering: menemukan keseimbangan yang tepat antara kekerasan dan ketangguhan
Prinsip prosesnya:
Quenching: Memanaskan potongan hingga suhu berubah menjadi austenit dan kemudian dengan cepat mendinginkannya (misalnya dengan minyak atau air) untuk membuat struktur martensit yang sangat keras.
Tempering: Untuk memecah martensit, menghilangkan tegangan quenching, dan membuat material lebih keras, simpan pada suhu yang lebih rendah (150–650 derajat).
Dimana bisa digunakan:
Baja perkakas: Baja cetakan kerja panas H13, misalnya, dipadamkan pada suhu 1050 derajat dan ditempa pada suhu 580 derajat setelah dicetak. Bahan ini memiliki kekerasan sebesar 52HRC dan peningkatan kinerja kelelahan termal sebesar 50%, sehingga cocok untuk cetakan-pengecoran cetakan.
Quenching (1050 derajat ) dan-temperatur suhu rendah (200 derajat ) membuat baja tahan karat, seperti 316L, lebih kuat dan lebih tahan terhadap korosi. Ini menjadikannya pilihan yang baik untuk peralatan kimia.
Setelah larutan padat dan perlakuan penuaan, baja penuaan martensit seperti 18Ni300 dapat mencapai kekuatan hingga 2000MPa. Ini digunakan untuk-cetakan presisi tinggi atau bagian struktur ruang angkasa.
Boeing menggunakan proses quenching tempering untuk membuat bagian roda pendaratan paduan titanium yang dicetak 3D. Hal ini membuat pesawat ini lebih tangguh terhadap benturan (35J/cm²) sekaligus menjaga kekuatannya tetap tinggi, yang merupakan persyaratan FAA untuk sertifikasi kelaikan udara.
5. Perlakuan panas siklik: memperbaiki struktur mikro superalloy
Prinsip prosesnya: Struktur mikro material dikontrol dengan melalui beberapa siklus pemanasan dan pendinginan. Hal ini termasuk menyempurnakan ukuran butir dan membuat distribusi komposisi lebih merata, yang berguna untuk superalloy berbasis nikel yang sulit untuk dikerjakan.
Kapan menggunakan:
CMSX-4 paduan kristal tunggal: Setelah dicetak, ia menjalani perlakuan panas multi-tahap (1280 derajat selama 2 jam, 1120 derajat selama 4 jam, dan 870 derajat selama 24 jam) untuk menghilangkan segregasi dendrit dan membuatnya lebih baik pada suhu tinggi.
Perlakuan panas siklik dapat meningkatkan distribusi karbida dan membuat paduan berbasis kobalt-seperti Stellite 6 20% lebih tahan terhadap keausan, sehingga cocok untuk permukaan penyegelan katup.
Dalam skenario umum, Rolls Royce menggunakan perlakuan panas siklik untuk membuat cakram turbin mesin pesawat RB3025. Hal ini meningkatkan umur kelelahan siklus rendah pada komponen cetakan dari 5.000 siklus menjadi 20.000 siklus, yang membantu pembuatan mesin generasi baru.
6. Tren dan Permasalahan di Industri
Kontrol cerdas: Algoritme AI mengubah pengaturan perlakuan panas dengan cepat dengan memantau data suhu dan stres secara real-time. Hal ini memungkinkan Anda mengatur "satu tungku, satu kebijakan" dengan tepat.
Proses komposit: Dengan menggabungkan perlakuan panas dengan HIP, pelapisan permukaan, dan proses lainnya, kami memiliki solusi terintegrasi yang disebut "pencetakan pelapisan perlakuan panas" yang bekerja lebih baik dan lebih cepat.
Kemampuan beradaptasi material: Agar pencetakan 3D lebih berguna, material logam baru seperti paduan entropi tinggi dan paduan amorf perlu diberi perlakuan panas-dengan cara yang inovatif.
Sulit
Biaya: Besarnya investasi dan biaya operasional teknologi HIP menyulitkan usaha kecil dan menengah-medium untuk membiayainya.
Pengendalian deformasi: Selama perlakuan panas, bagian struktural yang kompleks dapat melengkung, oleh karena itu desain pendukung perlu ditingkatkan melalui simulasi.
Kekurangan standar: Industri tidak memiliki seperangkat aturan untuk proses perlakuan panas, dan perlu ada sistem standar rantai yang komprehensif mulai dari bahan hingga suku cadang.