Apa peran perlakuan panas pelepas stres dalam pencetakan 3D logam?

1. Cara terbentuknya dan bahaya tegangan sisa
Sifat fisik dari akumulasi tegangan termal
Sinar laser atau elektron menghasilkan suhu yang sangat tinggi (lebih dari 2000 derajat ) di lokasi kecil selama proses pencetakan 3D logam. Ini melelehkan bubuk logam dan membuat genangan logam cair. Ketika sinar laser digeser, kolam cair mendingin dan mengeras dengan cepat, menyebabkan perubahan suhu di tempat terdekat. Ekspansi dan kontraksi termal yang tidak merata ini menciptakan medan tegangan yang rumit di dalam bagian tersebut. Saat mencetak braket penerbangan paduan titanium, struktur yang ditangguhkan tidak memiliki dukungan apa pun, dan tegangan lokal dapat mendekati 80% kekuatan luluh material, yang jauh lebih tinggi daripada batas bantalan material.
Masalah Umum Yang Disebabkan Stres
Jika tegangan sisa tidak segera dihilangkan, maka akan timbul tiga masalah utama:
Ketidakstabilan geometris: Jika tegangan terlalu besar sehingga material tidak dapat mengikat substrat, bagian tersebut akan bengkok dan berubah bentuk. Sebuah studi kasus pada bilah mesin pesawat menemukan bahwa bilah yang tidak dirawat akan bengkok sebesar 3,2 mm setelah dicetak, yang jauh lebih besar dari toleransi 0,1 mm yang diperlukan untuk perakitan.
Inisiasi keretakan: Lokasi di mana ketegangan terbentuk kemungkinan besar merupakan tempat dimulainya keretakan. Saat mencetak cakram turbin paduan suhu tinggi-berbasis-nikel, suku cadang yang tidak diberi perlakuan memiliki tingkat kejadian keretakan sebesar 42%, namun setelah perlakuan panas, angka tersebut turun menjadi kurang dari 2%.
Penurunan kinerja: Tegangan sisa dapat memperpendek umur material. Eksperimen telah menunjukkan bahwa kondisi komponen baja tahan karat 316L yang tidak diberi perlakuan menghasilkan pengurangan umur kelelahan siklus tinggi sebesar 60% dibandingkan dengan kondisi pasca{3}}perlakuan panas.
2. Teori teknis dan proses pelaksanaan perlakuan panas penghilang stres
Cara fisik untuk melepaskan ketegangan
Perlakuan panas penghilang stres berarti memanaskan bagian tersebut hingga kisaran suhu tertentu (biasanya 0,4 hingga 0,6 kali titik leleh) untuk membuat bahan menjadi sangat lentur. Pada suhu ini, kapasitas atom untuk bergerak meningkat, dan cacat kecil seperti dislokasi dan lubang ditata ulang, yang secara perlahan melepaskan tekanan internal melalui deformasi plastis kecil. Dengan mengambil contoh paduan berbasis nikel Inconel 718, setelah 4 jam isolasi pada suhu 620 derajat, tegangan sisa dapat diturunkan dari 380 MPa menjadi kurang dari 50 MPa.
Kontrol yang tepat dari parameter proses
Hal utama yang mempengaruhi perlakuan panas pelepas stres adalah laju pemanasan, suhu insulasi, waktu yang diperlukan untuk insulasi, dan cara pendinginannya:
Tingkat pemanasan: Anda tidak boleh melakukan pemanasan terlalu cepat, karena dapat menimbulkan stres lebih lanjut. Laju pemanasan untuk bagian paduan aluminium harus dijaga kurang dari atau sama dengan 10 derajat/menit.
Suhu isolasi: Biasanya dirancang lebih rendah dari suhu pembentukan kristal. Kisaran suhu normal untuk perlakuan panas paduan titanium Ti6Al4V adalah 593 hingga 649 derajat Celcius. Ini adalah cara terbaik untuk meredakan ketegangan dan memperbaiki struktur butiran.
Cara mendinginkan: Gunakan pendinginan tungku atau pendinginan dengan laju terkontrol untuk menghindari tekanan ekstra yang timbul akibat pendinginan terlalu cepat. Contoh implan medis menunjukkan bahwa teknik pendinginan bertahap (600 derajat → 400 derajat → suhu ruangan) dapat mengatur deformasi komponen dalam jarak 0,05 mm.
Manfaat Lingkungan Vakum
Perlakuan panas vakum telah menjadi pilihan terbaik-manufaktur kelas atas karena menghilangkan risiko oksidasi dan kontaminasi. Pengujian TAV Vacuum Furnace Company telah mengungkapkan bahwa komponen baja tahan karat 316L yang diberi perlakuan panas-dalam ruang hampa memiliki permukaan 40% lebih halus dan ketahanan terhadap korosi 25% lebih baik dibandingkan bagian yang diberi perlakuan panas-di udara. Selain itu, atmosfer vakum dapat menghentikan masalah seperti penggetasan hidrogen, sehingga cocok untuk industri pesawat terbang, yang mengutamakan kemurnian material.
3. Kegunaan perlakuan panas pereda stres di dunia nyata dan bisnis
Jaminan kinerja di industri dirgantara
Perlakuan panas penghilang stres merupakan langkah penting dalam pembuatan bilah mesin penerbangan karena memastikan suku cadangnya dapat diandalkan. GE Aviation telah meningkatkan teknik perlakuan panas sehingga mengurangi tegangan sisa pada bilah paduan berbasis nikel kristal tunggal sebesar 75% dan membuatnya bertahan tiga kali lebih lama. Umur kelelahan siklus rendah pada cakram turbin pada jenis mesin turbofan tertentu telah berubah dari 500 siklus menjadi 2000 siklus setelah perlakuan panas. Hal ini memenuhi kebutuhan-desain yang tahan lama.
Meningkatkan biokompatibilitas implan medis
Implan ortopedi yang terbuat dari paduan titanium harus sangat kuat dan fleksibel. Perlakuan panas pereda stres dapat menurunkan modulus elastisitas implan dan menghilangkan stres pemrosesan, sehingga dapat membantu mengurangi "efek pelindung stres". Bukti eksperimental menunjukkan bahwa modulus implan Ti6Al4V pasca-perlakuan panas berkurang dari 110 GPa menjadi 85 GPa, menyelaraskan lebih dekat dengan jaringan tulang manusia (10-30 GPa) dan secara substansial meningkatkan integrasi tulang.
Pembuatan Cetakan dengan Kontrol Yang Tepat
Saat mencetak baja cetakan 3D, perlakuan panas pelepas stres dapat menghentikan terjadinya deformasi termal selama proses pencetakan dan memastikan ukuran rongga cetakan yang tepat. Kasus cetakan mobil tertentu menunjukkan bahwa setelah perlakuan panas, toleransi dimensi rongga cetakan berubah dari ± 0,1 mm menjadi ± 0,02 mm, yang diperlukan untuk pencetakan injeksi presisi. Pada saat yang sama, perlakuan panas dapat membuat cetakan lebih tahan terhadap keausan, yang dapat melipatgandakan atau melipatgandakan masa pakainya.