Metal 3D baskı için yaygın ısıl işlem yöntemleri nelerdir?

1. Tavlama işlemi: kalan gerilimden kurtulun ve boyutları daha stabil hale getirin.
Tavlama işlemi, parçanın belirli bir sıcaklığa (genellikle yeniden kristalleşme sıcaklığının altında) ısıtılmasını, belirli bir süre orada tutulmasını ve ardından yavaşça soğutulmasını içerir. Bu, malzemedeki iç gerilimi serbest bırakır, taneleri inceltir veya yeniden kristalleştirir ve işleme performansını ve boyutsal stabiliteyi artırır.
Nerede kullanılır:
Gerilim giderme: Lazer tozu yatağı eritme (SLM) yöntemi, çok hızlı soğuduğundan dolayı artık gerilim bırakabilir. Tavlama, malzemenin daha sonraki işleme veya kullanım sırasında bükülmesini veya bölünmesini önlemek için gerilim seviyelerinin azaltılmasına yardımcı olabilir. Örneğin, uçak yapısal parçaları baskıdan sonra genellikle 600-650 derecede tavlanır, bu da stresi %80'den fazla azaltır.
Plastisitenin arttırılması: Tavlama, baskılı titanyum alaşımlı parçaların (Ti6Al4V gibi) tane boyutunu inceltir ve bunların uzamalarını %15 ila %20 oranında artırarak soğuk şekillendirilmesi gereken parçalar için daha iyi hale getirir.
Boyutsal stabilizasyon: Hassas kalıplar veya optik parçalar, yüksek-hassasiyet standartlarını karşılayan tavlama işlemi yoluyla gerilim serbest bırakıldığında meydana gelen boyutsal sapmayı durdurabilir.
LEAP motorları için yakıt nozüllerinin yapılması durumunda GE Aviation, baskılı parçaların kalan gerilimini 300MPa'dan 50MPa'nın altına düşürmek için tavlama teknolojisini kullandı. Bu, parçaların yüksek-basınç ve yüksek-sıcaklık ayarlarında çok daha kararlı olmasını sağladı.
2. Çözelti ile işlem ve yaşlandırma: alaşımın daha güçlü hale getirilmesi
Sürecin prensibi:
Katı çözelti işlemi: Çözünen atomları tamamen çözmek için alaşımı yüksek-sıcaklıktaki tek-faz bölgesine ısıtmak, aşırı doymuş bir katı çözelti oluşturmak ve ardından yüksek-sıcaklık yapısını korumak için hızlı soğutma (su söndürme gibi).
Zamanlı işlem: Aşırı doymuş katı çözeltiyi daha düşük bir sıcaklıkta (genellikle 100 ila 500 derece arasında) tutarak parçalayın ve 'faz' gibi güçlendirme aşamaları oluşturun. Bu, malzemeyi çok daha güçlü ve sert hale getirecektir.
Kullanım Örneği:
Inconel 718 gibi nikel-bazlı yüksek-sıcaklık alaşımları, baskıdan sonra katı çözelti işlemine (980–1010 derece) ve yaşlandırma işlemine (720 derece × 8 saat+620 derece × 8 saat) ihtiyaç duyar. Uçak motoru türbin diskleri için yeterince güçlü olan 1500MPa'nın üzerinde çekme mukavemetine sahiptirler.
AlSi10Mg gibi alüminyum alaşımı, T6 ısıl işleminin ardından %30 daha sertleşir (505 derece katı çözelti + 170 derece yaşlanma). Bu, onu hafif yapısal parçalar için iyi kılar.
Mukavemet ve tokluğun en iyi karışımını elde etmek için Ti6Al4V titanyum alaşımı, katı çözelti (950 derece) ve yaşlandırma (550 derece) ile işleme tabi tutulur. Bu onu ortopedik implantlar için iyi kılar.
Örneğin SpaceX'in Raptor motorunun yanma odası, uzun süre 2000 santigrat dereceye kadar ısıtıldıktan sonra bile sağlamlığını koruyan Inconel 718 baskılı parçalardan oluşuyor ve bu da roketlerin tekrar tekrar kullanılmasını mümkün kılıyor.
3. Sıcak izostatik presleme (HIP): iç kusurlardan kurtulmak ve malzemeyi daha yoğun hale getirmek
Proses prensibi: HIP'te parçalar yüksek-basınçlı bir kaba konur ve yüksek sıcaklığa (tipik olarak 1000–1200 derece) ve yüksek basınca (100–200 MPa) sahip bir atıl gaz (argon gibi) atmosferine maruz bırakılır. Bu, malzemenin şekil değiştirmesine, gözeneklerin ve mikro çatlakların kapanmasına ve neredeyse %100 yoğunluğa ulaşmasına neden olur.
Kullanım Durumu:
Türbin kanatları ve yanma odaları, uçakların çok yüksek sıcaklıklara ve gerilimlere dayanabilmesi gereken iki önemli parçasıdır. HIP tedavisi, katmanlar arası bağlanma sorunlarını çözebilir ve yorulma ömrünü 3 ila 5 kat uzatabilir.
HIP tedavisi, asetabular kaplar ve omurga füzyon cihazları da dahil olmak üzere tıbbi implantlarda, malzemelerin gözeneksiz olduğundan- emin olmak, metal iyon salınımı tehlikesini azaltmak ve FDA'nın biyouyumluluk konusundaki katı standartlarını karşılamak için kullanılır.
HIP, soğutma kanallı motor nozülleri de dahil olmak üzere karmaşık yapısal parçalarda kalan iç desteğin neden olduğu sorunları çözerek bunların iyi çalıştığından emin olabilir.
Örneğin Siemens Energy, gaz türbini kanatlarının yapımında HIP işleminden yararlanıyor. Bu, yazdırılan parçaların gözenekliliğini %0,5'ten %0,01'e düşürür, yüksek-sıcaklıkta sürünme performansını %40 artırır ve bıçaklara 100.000 saatten fazla bir ömür kazandırır.
4. Su verme ve temperleme: sertlik ve tokluk arasında doğru dengeyi bulmak
Sürecin prensibi:
Söndürme: Parçaların ostenite dönüşecekleri sıcaklığa kadar ısıtılması ve ardından çok sert bir martensitik yapı oluşturmak için hızla soğutulması (örneğin yağ veya su ile).
Temperleme: Martenziti parçalamak, su verme geriliminden kurtulmak ve malzemeyi daha sert hale getirmek için daha düşük bir sıcaklıkta (150-650 derece) tutun.
Nerede kullanılabilir:
Takım çeliği: H13 sıcak iş kalıp çeliği örneğin baskı sonrasında 1050 derecede su verilir ve 580 derecede temperlenir. 52HRC sertliğe ve termal yorulma performansında %50 artışa sahiptir, bu da onu basınçlı döküm kalıpları için iyi kılar.
Su verme (1050 derece) ve düşük- sıcaklıkta temperleme (200 derece), 316L gibi paslanmaz çeliği daha güçlü ve korozyona karşı daha dayanıklı hale getirir. Bu onu kimyasal ekipman için iyi bir seçim haline getirir.
Katı çözelti ve yaşlandırma işleminden sonra 18Ni300 gibi martensitik yaşlandırma çeliği 2000MPa'ya kadar bir dayanıma ulaşabilir. Yüksek-hassas kalıplar veya havacılık yapılarının parçaları için kullanılır.
Boeing, 3D baskılı titanyum alaşımlı iniş takımı parçaları yapmak için söndürme temperleme işlemini kullanıyor. Bu, onları darbelere karşı daha dayanıklı hale getirir (35J/cm²) ve aynı zamanda FAA'nın uçuşa elverişlilik sertifikasyonu için gerektirdiği güçlerini yüksek tutar.
5. Döngüsel ısıl işlem: süper alaşımların mikro yapısının iyileştirilmesi
İşlemin prensibi: Malzemenin mikro yapısı, çeşitli ısıtma ve soğutma döngülerinden geçerek kontrol edilir. Bu, tane boyutunun iyileştirilmesini ve bileşim dağılımının daha eşit hale getirilmesini içerir; bu, işlenmesi zor olan nikel-bazlı süper alaşımlar için iyidir.
Ne zaman kullanılır:
CMSX-4 tek kristal alaşımı: Baskıdan sonra dendrit ayrışmasından kurtulmak ve yüksek sıcaklıklarda daha iyi hale getirmek için çok aşamalı bir ısıl işleme tabi tutulur (1280 derece 2 saat, 1120 derece 4 saat ve 870 derece 24 saat).
Döngüsel ısıl işlem, karbürlerin dağılımını iyileştirebilir ve Stellite%6 20 gibi kobalt-bazlı alaşımları aşınmaya karşı daha dirençli hale getirerek onları valf sızdırmazlık yüzeyleri için iyi hale getirebilir.
Tipik bir senaryoda Rolls Royce, RB3025 uçak motoru türbin disklerini yapmak için döngüsel ısıl işlem kullandı. Bu, basılı parçaların düşük döngülü yorulma ömrünü 5000 döngüden 20000 döngüye çıkardı ve bu da yeni nesil motorların yapılmasına yardımcı oldu.
6. Sektördeki Eğilimler ve Sorunlar
Akıllı kontrol: Yapay zeka algoritmaları, sıcaklık ve stres verilerini gerçek zamanlı olarak izleyerek ısıl işlem ayarlarını anında değiştirir. Bu, "bir fırın, bir politika"yı tam olarak düzenlemenizi sağlar.
Kompozit proses: Isıl işlemi HIP, yüzey kaplama ve diğer proseslerle birleştirerek, "baskı ısıl işlem kaplaması" adı verilen, daha iyi ve daha hızlı çalışan entegre bir çözüme sahibiz.
Malzeme uyarlanabilirliği: 3D baskıyı daha kullanışlı hale getirmek için, yüksek entropili alaşımlar ve amorf alaşımlar gibi yeni metal malzemelerin yenilikçi yöntemlerle ısıl-işlemden geçirilmesi gerekir.
Zor
Maliyet: HIP teknolojisinin yüksek yatırım ve işletme giderleri, küçük ve orta-ölçekli işletmelerin bütçesini zorlaştırıyor.
Deformasyonun kontrolü: Isıl işlem sırasında karmaşık yapısal parçalar eğilebilir, bu nedenle destek tasarımının simülasyon yoluyla iyileştirilmesi gerekir.
Standart eksikliği: Sektörde ısıl işlem süreçlerine ilişkin tek bir kural bulunmamaktadır ve malzemeden parçaya kadar kapsamlı bir zincir standart sisteminin olması gerekmektedir.