هل يمكن للمعالجة الحرارية تحسين أداء الكلال للأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد؟

الآن، المشكلة الرئيسية في أداء التعب هي أن الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد بها عيوب منذ الولادة.
المشاكل المتعلقة بأداء الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد تأتي من طريقة تصنيعها. باستخدام سبائك التيتانيوم (Ti-6Al-4V) كمثال، فإن طريقة ذوبان طبقة المسحوق (PBF) تعمل على إذابة المسحوق المعدني بسرعة ومن ثم تصلبه. وهذا يسبب المشاكل التالية:
عدم تجانس البنية المجهرية: تحتوي الحبوب الرئيسية على هيكل عمودي خشن، مع وجود طور أكبر بالقرب من حواف الحبوب، مما يسهل ظهور شقوق التعب.
الثقوب والفجوات: إذا لم يندمج المسحوق بالكامل أو يذوب الغاز، فإن المسامية الداخلية يمكن أن تصل إلى 0.5% إلى 2%، مما يقلل بشكل كبير من حد الكلال.
الإجهاد المتبقي: يمكن أن يصل إجهاد الشد الناتج عن التبريد السريع إلى 50% إلى 70% من قوة خضوع المادة، مما يسرع من نمو الشقوق.
وجد معهد المعادن التابع للأكاديمية الصينية للعلوم أن قوة إجهاد التوتر والإجهاد لسبائك التيتانيوم النموذجية للطباعة ثلاثية الأبعاد تبلغ 475 ميجا باسكال فقط، وهو أقل بكثير من 900 ميجا باسكال التي ينبغي أن تكون عند تشكيلها. ويرجع ذلك في الغالب إلى المسام والملمس الخشن الذي يسبب التشققات.
2. مسار تكنولوجيا المعالجة الحرارية يبدأ من التخلص من العيوب إلى تحسين التنظيم.
من خلال إدارة درجة الحرارة والمدة ومعدل التبريد، تحقق المعالجة الحرارية ثلاثة أهداف رئيسية:
1. التخلص من العيوب الداخلية: تقنية الضغط المتوازن الساخن (HIP)
تستخدم عملية HIP غازًا خاملًا، مثل الأرجون، لتحريك الضغط عند درجات حرارة عالية جدًا (900-1250 درجة) وضغوط عالية جدًا (100-200 ميجاباسكال). وهذا يجعل شكل المادة يتغير ويغلق أي ثقوب بداخلها. على سبيل المثال:
في مجال الطيران، استخدمت GE Aviation SLM لطباعة شفرات توربينات Inconel 718 ومن ثم HIP لمعالجتها. يؤدي هذا إلى خفض المسامية من 0.8% إلى 0.02% ومضاعفة عمر الكلال ثلاث مرات.
تحسين سبائك التيتانيوم: استخدمت إحدى الشركات في تشونغتشينغ معالجة HIP لطباعة ثلاثية الأبعاد Ti-6Al-4V. أدى هذا إلى رفع حد الكلال من 550 ميجا باسكال إلى 900 ميجا باسكال، وهو نفس الحالة المزورة، وجعل المادة أقل تباين الخواص.
2. يتم استخدام تكنولوجيا إعادة البلورة الاتجاهية لجعل حجم الحبوب أكثر تجانساً والبنية المجهرية أكثر تجانساً.
يتحكم إجراء إعادة البلورة الاتجاهي الخاص بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تدرج درجة الحرارة (على سبيل المثال، الرسم بمعدل 2.5 مم/ساعة عند 1235 درجة) لإنشاء هياكل بلورية عمودية عن طريق جعل الحبوب تنمو في اتجاه معين. هذه التقنية:
لإيقاف الزحف، قم بمحاذاة البلورات العمودية مع أعلى محور إجهاد، وأوقف انزلاق حدود الحبوب عند درجات الحرارة المرتفعة، وقم بمضاعفة عمر الزحف للسبائك-المعتمدة على النيكل- ذات درجة الحرارة العالية.
تعزيز مقاومة الكلال: عند استخدام شفرات التوربينات الغازية فإن التخلص من الحبوب الخشنة وعيوب الخلع يزيد من مقاومة بداية شقوق الكلال بنسبة 60%.
3. التحكم في تغيرات الطور: محلول صلب مع معالجة الشيخوخة
بالنسبة لمواد مثل سبائك الألومنيوم، فإن معالجة المحلول (مثل الاحتفاظ به عند درجة حرارة 540 درجة لمدة ساعتين) يؤدي إلى كسر مرحلة التقوية. بعد ذلك، يؤدي علاج الشيخوخة (مثل الاحتفاظ بدرجة حرارة 155 درجة لمدة 8 ساعات) إلى تكوين رواسب نانوية (مثل الطور θ).
توازن القوة والمتانة: بعد المعالجة الحرارية T6، ارتفعت قوة الخضوع لسبائك الألومنيوم F357 من 280 ميجا باسكال إلى 380 ميجا باسكال، لكن الاستطالة ظلت كما هي عند 12%.
تجمع عملية URQ-HIP من Quintus Technologies بين المحلول الصلب والمعالجة بالضغط العالي- لمنع إعادة فتح المسام، مما يمنح سبائك الألومنيوم F357 عمر تعب أطول من مصبوبات MMPDS القياسية.
3، الممارسة الهندسية: الانتقال من المختبر إلى التصنيع
1. مجال الطيران
تستخدم شركة Siemens نظام SLM لطباعة شفرات سبائك النيكل ذات درجة الحرارة العالية-المعتمدة على النيكل. تتم بعد ذلك معالجة هذه الشفرات بتقنية HIP وإعادة البلورة الموجهة لإضافة قنوات تبريد معقدة، مما يجعل التوربين أكثر كفاءة بنسبة 5% ويستخدم وقودًا أقل بنسبة 3%.
الأجزاء الهيكلية خفيفة الوزن: تتميز طائرة Boeing 787 بأقواس مصنوعة من سبائك التيتانيوم- مطبوعة ثلاثية الأبعاد يتم تسخينها مرتين (HIP+شيخوخة) لجعلها أقوى بنسبة 40% وأخف وزنًا بنسبة 30%.
2. صناعة الأجهزة الطبية
قام جونسون آند جونسون الطبي بتصلب مفاصل الورك المطبوعة ثلاثية الأبعاد للتخلص من الإجهاد السطحي المتبقي. ثم استخدموا التلميع الكيميائي لجعل السطح أكثر سلاسة إلى Ra0.8 ميكرومتر ومنح الغرسات عمر إجهاد يزيد عن 20 عامًا.
تصميم مضاد-الإجهاد: قامت تقنية NAMP التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم (تنظيم العيوب والأنسجة-بواسطة-خطوة) برفع قوة إجهاد الشد لزرع Ti-6Al-4V من 475 ميجا باسكال إلى 978 ميجا باسكال، وهو أعلى مستوى في العالم.
3. موضوع معدات الطاقة
إصلاح توربينات الغاز: قام فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإصلاح غرفة احتراق مصنوعة من سبائك النيكل- مطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام معالجة إعادة البلورة الموجهة. هذه المعالجة جعلت الحجرة قادرة على تحمل 200 ميجاباسكال من الإجهاد عند درجة حرارة عالية 650 درجة وخفض معدل الزحف بنسبة 80%.
أجزاء الطاقة النووية: تستخدم مجموعة EDF في فرنسا معالجة HIP لطباعة وصلات أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ ثلاثية الأبعاد. يؤدي ذلك إلى التخلص من العيوب الداخلية ويجعل المفاصل أكثر مقاومة للتآكل من خلال المعالجة بالمحلول للوفاء بلوائح السلامة النووية.