هل هناك فرق كبير في أداء الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد قبل وبعد المعالجة الحرارية؟

1. البنية المجهرية: تغير في الجودة من العيوب إلى الكثافة
تتضمن عملية الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد تسخين وتبريد المادة بسرعة، مما يتسبب في حدوث الكثير من العيوب الصغيرة داخل الأشياء. على سبيل المثال، في طريقة ذوبان طبقة المسحوق بالليزر (LPBF)، يبرد حوض الذوبان بسرعة، مما يؤدي إلى تكوين بلورات عمودية خشنة ذات -خلوعات عالية الكثافة ومسام دقيقة عند حدود الحبوب. لا تؤدي هذه العيوب إلى خفض كثافة المادة فحسب (عادة بنسبة 98% إلى 99.5%)، ولكنها تتسبب أيضًا في تكوين شقوق، مما يجعل الأجزاء أكثر ضعفًا من حيث صفاتها الميكانيكية.
تعمل المعالجة الحرارية على تحسين البنية المجهرية عن طريق القيام بما يلي:
التكثيف: تعمل المعالجة بالضغط المتوازن الساخن (HIP) مع درجة حرارة عالية (عادة 0.7-0.9 مرة من نقطة انصهار المادة) وضغط مرتفع (100-200MPa) لإغلاق المسام الداخلية والشقوق الدقيقة للجزء. على سبيل المثال، بعد معالجة HIP، ارتفعت كثافة أجزاء السبائك عالية الحرارة لمحرك طيران معين من 99.2% إلى 99.99%، ويمكن للأجزاء أن تدوم لفترة أطول بخمس مرات قبل أن تتعطل.
تكرير الحبوب: إن عملية إعادة البلورة أثناء التلدين يمكن أن تجعل حجم الحبوب أصغر. على سبيل المثال، تلدين الأجزاء المطبوعة من سبائك الألومنيوم عند 350 درجة لمدة ساعتين يقلل حجم الحبوب من 100 ميكرومتر إلى 20 ميكرومتر ويزيد من قوة الخضوع بنسبة 15%.
التحكم في تغيير الطور: عندما تقوم بإخماد وتلطيف الفولاذ، يمكنك إنشاء هيكل ثنائي الطور-يشتمل على المارتينسيت والأوستينيت المتبقي. على سبيل المثال، بعد التسقية عند 1050 درجة والتلطيف عند 200 درجة، تصل صلابة الأجزاء المطبوعة من الفولاذ القالب إلى 58HRC، وهي أكثر مقاومة للتآكل بثلاث مرات من الأجزاء غير المعالجة.
2، الخواص الميكانيكية: التحول من الهشة إلى القوة
تعد المعالجة الحرارية مهمة جدًا لتحسين الخواص الميكانيكية للعناصر المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد. على سبيل المثال، عند النظر إلى السبيكة GH4169 ذات درجة الحرارة العالية-، فإن الأجزاء المطبوعة تتمتع بقوة شد وقوة خضوع أقل قليلاً من الأجزاء المطروقة، ولكن الاستطالة عند الكسر وانكماش المقطع العرضي- تكون أسوأ بكثير. بعد المعالجة الحرارية الروتينية (التليين بتخفيف الإجهاد والتليين بالتجانس)، فإن خصائص الشد في درجة حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة تلبي معايير الحدادة أو تتجاوزها. كما أن متانتها في درجات الحرارة العالية-تتفوق أيضًا على الأجزاء المطروقة.
وتظهر الفوارق في الأداء في:
تعزيز القوة: يؤدي إجراء التبريد إلى تكوين بنية مارتنسيتية عن طريق تبريده بسرعة، مما يجعل الأمر أكثر صعوبة. على سبيل المثال، بعد التبريد، ترتفع قوة الشد للأجزاء المطبوعة المصنوعة من سبيكة النيكل- ذات درجة الحرارة العالية- من 460 ميجا باسكال إلى 585 ميجا باسكال.
صلابة أفضل: يمكن أن يتخلص التهدئة من التوتر ويجعل الأمور أكثر صرامة. على سبيل المثال، بعد التبريد والتلطيف عند 550 درجة، زادت متانة الصدمات للقسم المطبوع من عمود نقل السيارة من 15J/cm² إلى 35J/cm².
تحسين أداء الكلال: يمكن للمعالجة الحرارية إصلاح المشكلات داخل المادة وإبطاء انتشار شقوق الكلال. بعد المعالجة الحرارية، فإن عمر الكلال للأجزاء المطبوعة GH4169 عند 650 درجة يكون أطول بنسبة 20% من عمر الأجزاء المطروقة.
3. ثبات الأبعاد: من الانحناء إلى الضمان الدقيق
قد يتغير حجم الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بعد الطباعة بسبب إطلاق الضغط المتبقي أو التغيرات في البنية المجهرية. وهذا قد يجعل من الصعب تجميعها معًا بشكل صحيح. يمكن للمعالجة الحرارية أن تحسن بشكل كبير استقرار الأبعاد عن طريق جعل البنية المجهرية أكثر استقرارًا والتخلص من الإجهاد.
تشوه أقل: التلدين يمكن أن يجعل الفرق في معامل التمدد الحراري بين الأجزاء أقل ويجعل تشوه التصنيع أقل. على سبيل المثال، انتقل انحراف القطر للقسم المطبوع لمبادل حراري لقناة تدفق معقدة من ± 0.15 مم إلى ± 0.05 مم بعد التلدين.
الاستقرار على المدى الطويل-: يمكن أن يؤدي علاج التقادم إلى التخلص من المحاليل الصلبة المفرطة التشبع في المواد والحفاظ على حجمها من التغير بشكل كبير بمرور الوقت. على سبيل المثال، بعد أن كانت في درجة حرارة 170 درجة لمدة 8 ساعات، انخفض معدل تغير حجم أجزاء سبائك الألومنيوم المطبوعة من 0.3% سنويًا إلى 0.05% سنويًا.
تكيف الهياكل المعقدة: يمكن أن تساعد المعالجة الحرارية في منع تراكم الضغط أثناء معالجة الهياكل المعقدة مثل-الهياكل الرقيقة الجدران والمسامية. بعد التلدين المزدوج (700 درجة × 2h + 500 درجة × 4h)، ارتفع حد التعب لزراعة العظام من سبائك التيتانيوم من 450 ميجا باسكال إلى 600 ميجا باسكال، وهو ما يكفي لدعم وزن الجسم بمرور الوقت.
4. متطلبات الأداء الخاصة: اختراق عالمي إلى اختراق مخصص: يمكن أن توفر المعالجة الحرارية أيضًا للكائنات المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد صفات فريدة، مما يجعلها مفيدة في المزيد من المواقف.
تحسين مقاومة التآكل: يمكن للمعالجة بالمحلول الصلب أن تذيب المرحلة الثانية في المادة، مما يجعلها أقل عرضة للتآكل من خلال الوسائل الكهروكيميائية. على سبيل المثال، بعد معالجتها بمحلول عند 1050 درجة، ارتفعت إمكانية التنقر للمكونات المطبوعة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L من 320 مللي فولت إلى 450 مللي فولت، وهو أمر جيد للاستخدام في الظروف البحرية.
التحكم في الخواص المغناطيسية: يمكن للمعالجة الحرارية أن تغير اتجاه الحبوب والضغط المتبقي للمواد المغناطيسية الناعمة لتحسين خصائصها المغناطيسية. على سبيل المثال، بعد تسخينه إلى 750 درجة، ترتفع النفاذية المغناطيسية لجزء معين من صمام الملف اللولبي بنسبة 20% وتنخفض كمية الطاقة المستخدمة بنسبة 15%.
تحسين التوافق الحيوي: تحتاج الغرسات الطبية إلى التسخين للتخلص من الملوثات السطحية وصنع طبقة تخميل. على سبيل المثال، ارتفعت خشونة السطح Ra لزراعة العظام من سبائك التيتانيوم من 3.2 ميكرومتر إلى 0.8 ميكرومتر بعد الغسيل الحمضي والتليين عند 500 درجة، وارتفع معدل التصاق الخلايا بالزرعات بنسبة 40٪.
5. دراسة حالة: المعالجة الحرارية يمكن أن تجعل خصائص سبيكة CuCrZr أفضل بكثير بطريقة غير متوقعة.
نظرًا لامتلاكها موصلية عالية وخصائص ميكانيكية رائعة، غالبًا ما يتم استخدام سبيكة CuCrZr في أجزاء من محركات الطائرات. ومع ذلك، فإنه من الصعب والمكلف إنشاء هياكل معقدة باستخدام طرق المعالجة التقليدية. تعتبر سبيكة CuCrZr المصنوعة بتقنية SLM قوية جدًا (قوة الإنتاجية 411MPa) ولكنها ليست جيدة جدًا في توصيل الكهرباء (31% IACS). بعد تسخينه إلى 500 درجة لمدة ساعة، ارتفعت قوة الشد إلى 585 ميجا باسكال وارتفعت موصليته إلى 64% IACS. وهذا مشابه لمدى جودة عمل السبائك المعالجة النموذجية. يوضح هذا السيناريو أن المعالجة الحرارية تعد خطوة مهمة لتحقيق أقصى استفادة من مواد الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد.