ההשפעה של טיפולי חום מעובדים על העוצמה של מתכת מתואמת

ייצור תוספתי של מתכת: קרן של מתח סובסידי ומורכבות מיקרו-מבנה

ייצור אדקטיבית (AM) של מתכות, הידוע בדרך כלל כדפסת מתכת 3D, שינה את הנוף הייצור על ידי מתן ייצור של גיאוגרפיות מורכבות כי הם בלתי אפשרי או יקר באופן בלתי חוקי לייצר עם שיטות תת-פרקטיביות קונבנציונליות. אבקת היתוך מיטה כגון לייזר סלקטיבית לייזר מלטינג (SLM) ואלקטרון מלטינג (BM) לבנות רכיבים על ידי שכבה ממודל דיגיטלי, המציעה חופש, במיוחד, תכונות כוח מכניות חזקות ואפקטים, כולל מהירות.

התמורה בין גמישות עיצוב ואמינות מכנית היא אתגר מרכזי באימוץ הנרחב של מתכות המיוצרות באופן מתוספי. As-manufactured לעיתים קרובות להציג מיקרו-מבנה זעיר, שאינו-קלייבריום עם גרגרי טור, תאי או מבני מוצקים dendritic, ו porosity פנימית. יתר על כן, ה ⁇ התרמית התלולים במהלך הדפסה של מתחים חיידקים ליד פני השטח ולחצים פנימיים, יכול להניב יותר את העוצמה הדחיסה, או הפחתת הלחץ הפנימי.

לכן טיפולים גמישים לעיבוד פוסט הם לא שיפורים אופציונליים אבל צעדים חיוניים כדי להתאים את המיקרו, להקל על הלחץ, להשיג את התכונות המכאניות הרצויות עבור יישומים קריטיים בחלל, שתלים רפואיים, רכב, וכלי. הנכס המכאני החשוב ביותר לתכנון נגד עיוות פלסטיק הוא כוח מניב - הלחץ שבו חומר מתחיל לפענוח באופן קבוע.

ה-Bylurgical Basis of Yield Power Enhancement

כוח פגום נשלט על ידי היכולת של המיקרו-מבנה כדי למנוע את התנועה פירוק.במתים, פירוק הם פגמים קו המאפשר עיוות פלסטיק בלחצים רחוק מתחת לחוזק התיאורטי של מנגנוני התגבש מושלם - פתרון פתור פתור פתור פתור חיזוק, משקעים קשיח, חיזוק הגבול דגנים (אפקט Hall-Petch), ולעבוד קשה- לפעול על ידי יצירת מכשולים כי יש להתגבר.

מתכות המיוצרות באופן גמיש לעתים קרובות יש מיקרו-מבנה מתחיל כי הוא רחוק ממאזן.השיעורים המהירים של 106 K /s ב SLM) לדכא שינויים בשלב מבוקרים דיפוזיה, וכתוצאה מכך פתרונות מוצקים מורכבים, שלבים מטבוליים, ומבנים סלולריים דקים.תכונות אלה יכולים לספק כמה כוח פנימי, אבל הם גם להשאיר את החומר פגיע ללחץ ויציבות תרמית בטמפרטורות מתונות יותר, אשר אינם מסוגלים לחזק את המנגנונים יציבים יותר.

לדוגמה, בסגסוגת משקעים-קשה כגון Inconel 718 או AlSi10Mg, מבנה המיקרו בנוי כמו מכיל צפיפות גבוהה של פירוקים בקנה מידה בסדר של הפרדה.טיפול פתרון מתמוסס שלבים לא רצויים ומקריג את ההרכב, בעוד טיפול ההזדקנות שלאחר מכן precipitate חלקיקים בין-מטליקיים שפועל כמו אתרי פירוק חזק יכול להניב כוח על ידי 30-5.

טיפול ב-Hyyry Treatments for AM Metals

עזרה בלחץ

הצעד הראשון והנפוץ ביותר הוא הקלה בלחץ nealing.החלק מחומם לטמפרטורה מתחת לטווח ההחזרות (בדרך כלל 500-700 מעלות צלזיוס עבור פלדה וסגסוגת ניקל) ו מוחזק למשך 1-4 שעות, ואחריו איטי או מבוקר קירור.המטרה העיקרית היא להפחית את הלחץ השגור ללא שינוי משמעותי של מבנה הדגנים.

טיפול והזדקנות

עבור סגסוגת של גיל-קשה, טיפול פתרון הוא צעד קריטי. ⁇ מחומם לטמפרטורה שבה כל precipitates להתמוסס לפתרון מוצק (בדרך כלל 950-1200 מעלות צלזיוס עבור Superalloys מבוסס ניקל), ולאחר מכן במהירות מצופה לשמור על פתרון מוצק סופר-saturated.החלק הוא מחממת לטמפרטורה בינונית (באמצעות 600-800-C) עבור מספר שעות של פיזור דק יותר או ירידה מהירה של חלקיקים חד-מעורפלים.

משתנים חשובים כוללים טמפרטורת פתרון, זמן ספוג, טמפרטורה ההזדקנות, וזמן ההזדקנות. Over-aging (חום ממושך או טמפרטורה גבוהה יותר) coarens את precipitates, צמצום יעילותם חיזוק ומוביל לירידה בחוזק התשואות. פרמטרים ההזדקנות אופטימיים הם סגסוגת ספציפית ספציפית ויש לקבוע באמצעות ניסויים שיטתיים או התייחסות תקני כגון ASM של מדריך ה-Hicker.

נורמליזציה ואנליז

עבור פלדה ו ⁇ טיטניום שעוברים שינויים משמעותיים במצב, נורמליזציה כרוכה חימום מעל טמפרטורת הטרנספורמציה (למשל, austenitizing עבור פלדה) ואחריו קירור אוויר.זה מחדד את גודל הדגנים ומייצר מיקרו-מבנה אחיד יותר, אשר יכול להגדיל את התשואות באמצעות אפקט Hall-Petch (דגנים קטנים יותר לספק שטח דגנים יותר נפח, פירוק תנועה אימפולסיביעת).

הפיתוי

טמפינג מוחל לאחר quenching מטמפרטורה גבוהה כדי להפחית את הבקר תוך שמירה על הרבה כוח.ב פלדה מיוצר תוספתי חלד מרטידות אטטי או פלדה כלי, מזג יכול להפוך את מרטן מתפתל לתוך מנשמרט ממוזג עם פיזור עדין של carbides, עלייה כוח ונוקשות בו זמנית.

השפעות על טיפול חום פרדוקסים על כוח יתר

הקשר בין הפרמטרים לטיפול חום וכוח התשואות אינו ליניארי.עבור כל מערכת ⁇ קיים חלון עיבוד הממקסים את הכוח תוך הימנעות מאפקטים מזיקים כגון גידול תבואה, התגלמות או היווצרות של שלבים לא רצויים.

זמן וטמפרטורה

במערכות המשקעים, כוח התשואות בדרך כלל עולה עם זמן ההזדקנות עד שיא, ואז יורד כמו precipitate coarsen (Ostwald בשלג) טמפרטורות ההזדקנות גבוהות יותר להאיץ את הקינטיקה אבל לשנות את השיא לזמנים קצרים יותר. לדוגמה, בתוספים המיוצר AlSi10Mg, טיפול ההזדקנות הישיר ב 160 מעלות צלזיוס למשך 6 שעות יכול להגדיל את הכוח -200 MPa (as) ל-280 שעות נוספות, אך גדל יותר על ידי הזדקנות, אך יותר על פני סיכון דומה, אך נמשך יותר מ- 2C למשך יותר.

Cooling Rate

קצב הקירור לאחר טיפול בפתרון קובע את מידת העליות שנשמרה. קירור איטי מאפשר precipitates להיווצר במהלך קירור (הזדקנות quench), אשר יכול להפחית את היעילות של הצעד הבא ההזדקנות גם משפיע על רמות מתח שאריות. quenching מים גורם ללחץ תרמי גבוה יותר בהשוואה לנפט או קירור אוויר, אשר עשוי לדרוש הקלה נוספת לחץ.

מספר מחזור

מחזורים רבים של הזדקנות או ההזדקנות הכפולה (למשל, טמפרטורה נמוכה לפני ביצוע מעקב על ידי הזדקנות עתירה גבוהה) משמשים לעתים ליצור הפצה כפולה של precipitates, שיפור הן כוח והתנגדות זחילה. ב AM Inconel 718, טיפול חום סטנדרטי (רזולוציה ב 980 מעלות צלזיוס, ולאחר מכן ההזדקנות ב 720C במשך 8 שעות + 620 מעלות צלזיוס במשך 8 שעות) נכנעה כוח MPa -2, לעומת זה הוכח כי הוא לחץ MPa טוב יותר מאשר MPa -2, לעומת זה הוכח על ידי טיפול חום סטנדרטי (ממדן C.

שיקולים של Alloy-Specific

טיטניום אלוי (Ti-6Al-4V)

Ti-6Al-4V הוא הסגסוגת טיטניום בשימוש נרחב ביותר ב AM. המבנה המיקרו בנוי כמו מורכב של acicular α של מרטן בשל קירור מהיר.המרטן הזה יש כוח גבוה אבל דיקטטורה נמוכה. הקלה בלחץ ב 600-700 מעלות C עבור 1-2 שעות הופך את ה-α' למבנה α +βL950, הגדלת הדלוני תוך שמירה על חוזק גבוה או ירידה משמעותית MPa C (מ- 2, 000) ל- 2, 000 גבוה יותר (מ- 2, 000) ל- C.

Superalloys (Inconel 718, Inconel 625)

(ב) ⁇ 718 הוא משקעים מורעב על ידי ⁇ ' (Ni3Nb) ו ⁇ ' (Ni3(Al,Ti) שלבים ⁇ (המבנה המיקרו בנוי) מכיל שלבים Laves ו- Nb הפרדה, אשר להפחית את כוחם של טיפול סטנדרטי ב 980 מעלות צלזיוס מתמוסס ל-Lves, ושני תאי קדם-הזדקנות של ⁇ ו- 1Fb) יכול להגדיל את כוחם עד 10.

פלדות ללא חתימות (17-4 PH, 316L)

17-4 PH (מרנטית משקעים רדינינג) יכול להיות חום מטופלים להניב נקודות חוזק מעל 1300 MPa.מצב שנבנה כמו כן מכיל לעתים קרובות austenite, אשר מוריד כוח.פתרון טיפול ב 1050 ° C ואחריו ההזדקנות ב 480 ° C (מצב צפיפות H900) ממקסימה את המשקעים של C-L עשירות. עבור 316 (auenitic), אשר אינו ניתן ל-en- 300, 000, 000 גבוה יותר מאשר כוח חנק גבוה יותר מאשר גודל הפחתת כוח;

מכניזם של התחדשות כוח: מלחץ הדדי ועד לטרנספורמציות שלב

מדגיש סובסידיות עצמם יכולים להשפיע על מדידות כוח תשואות.במצב שנבנה, מתחים שאריות של עשרות ליד פני השטח יכול לגרום להניב מוקדם תחת עומס טפילים יישומי, ביעילות להפחית את כוח התשואות לכאורה.לחיצת מתח מרגיעה את הלחץ פני השטח הזה, לעתים קרובות נותן עלייה צנועה בחוזק של תשואות Tenile.conversely, לחץ חיסמחסומי יכול להגדיל את הכוח הנראה לעין, אבל הם בדרך כלל לא להסתמך על תנאי עיצוב תחת תנאי שירות מרגיע.

הזיכוך מיקרו-מבנה הוא מסלול אמין יותר.המבנה התאי המצוין שנראה במתכות SLM-מעבדות (גדלים תאים 0.5-2 μm) פועל באופן דומה לגבולות דגנים בהילוך מופרז.עם זאת, תאים אלה אינם גבולות דגנים מסובכים גבוה; הם מחזקים את הגבולות הזווית הנמוכה של פירוק.טיפול בשרירים יכולים להפחתת פערים אלה, להפחית את צפיפות התאים ועוצמה פוטנציאלית היא גם השפעה גבוהה של תאים.

צמיחה Grain היא דאגה גדולה.מרבית ⁇ AM יש מבנה גרגר עמודה המוכוון לאורך כיוון הבנייה בשל צמיחה אפיטקסית. טיפולים בפתרון עתירי גבוה יכול לגרום צמיחה חריגה, במיוחד בהיעדר חלקיקים סיכה גבול דגנים.לדוגמה, ב- Ti-6Al-4V, חימום מעל β-transus לתקופות מורחבות יכול להוביל β גדלים מעל 500 מ"מ, צמצום כוח באמצעות קצבי בקרת חום קצר זה.

מחקר חדש של NISTEFLT:1 על מיוצר בתוסף Inconel 625 מצא כי טיפול חום הזדקנות ישיר (ללא טיפול פתרון קודם) גדל כוח על ידי 30% בהשוואה למצב שנבנה, בעוד פתרון מלא וטיפול ההזדקנות גדל על ידי 50%.הבדל מיוחס לפירוק של שלב Laves בפתרון, אשר אפשר יותר אחיד של שלב זה מחזק את החשיבות של יצירת מדגישה.

השלכות מעשיות לחינוך ולתעשייה

מחנכים מלמדים חומרים מדע או הנדסה בייצור צריכים להדגיש כי הטיפול החום של מתכות AM הוא לא תהליך בגודל אחד מתאים לכל.המיקרו-מבנה מתחיל הוא ייחודי ורגיש מאוד לבנות פרמטרים (כוח אלר, מהירות סריקה, עובי, עווית), תלמידים צריכים ללמוד לעבד פרמטרים עם מאפיינים בנוי כמו-כך לבחור מחזורי חום מתאימים.

מתרגלי התעשייה מתמודדים עם האתגר של איזון עלות, זמן וביצועים.מחזורי טיפול חום עבור חלקי AM הם לעתים קרובות יותר מאלה עבור רכיבים נגרמים בגלל הצורך לההוגן מיקרוסגורציה. Vacuum או inert גז פרוות נדרשים לעתים קרובות למנוע חמצון של ⁇ תגובתית כמו titanium.המסחר בין פתרון מלא (אשר עלול לגרום לגדילה) ולהוביל לשלב ישיר (ave) עבור רכיבים פשוטים, ייתכן כי הוא חייב להיות טיפול יעיל עבור טיפול.

שיקול מעשי נוסף הוא עיוות.חלקי AM מטושטשים במיוחד נוטה להתמזג במהלך חימום וניקוי.תיקון.תיקון ושימוש של רמפה חימום בשלב חכם יכול למזער את זה.במקרים מסוימים, לחץ על דלקת ריאות חם (HIP) משולב עם טיפול חום; HIP מתייחס ללחץ גבוה איזוסטטי בטמפרטורה גבוהה, סגירה פנימית תוך ביצוע צורה של טיפול HIP יכול להוסיף כוח משמעותי, אך הוא מוסיף את החיים ואת הלחץ משמעותי, אך הוא מוסיף זמן.

נתונים של כוח עבור AM מתכות עם טיפולים חום שונים זמינים יותר ויותר במסד נתונים כגון FLT:0 (MatWebcioFLT:1 עם זאת, מהנדסים צריכים לאמת נתונים ממכונה ספציפית אבקה רבים, כמו אצווה-to-batch variability יכול להיות משמעותי.הפיתוח של ניטור ותהליך-מבנה-מערכת יחסים הוא תחום פעיל של מחקר אשר בסופו של דבר יאפשר חיזוי של כוח לאחר טיפול חום.

כיוונים עתידיים: טיפולי חום מותאם והתאמה מתקדמת

השדה נע לכיוון טיפולים חום מותאמים כי לשקול את ההיסטוריה התרמית המקומית של כל אזור של החלק. כי AM בונה יש היסטוריה תרמית שונה ליד בסיס לוח מול העליון, ליד קווי ביניים מול ליבות, טיפול חום אחיד חום תנור עשוי לא להיות אופטימלי עבור כל רכיב.

טכניקות הדמיה מתקדמות - אלקטרונין backscatter diffraction (EBSD), העברת מיקרוסקופיה אלקטרונים אלקטרונים (TEM), וסנכרון X-ray diffraction - מספקים תובנות חדשות כיצד משקעים ותיקון מתפתח במהלך טיפול חום. לדוגמה, ב situ TEM מחקרים הראו כי בתוספים המיוצרים AlSi10Mg, רשת גלקטית Sictic Silastation מתפתח במהלך טיפול תרופתי, הם מנפחים חדשים, אם הם לא ממריצים את החוזקות.

לסטודנטים וחוקרים, לחקור את הממשק בין בניית אוריינטציה וטיפול חום התגובה הוא נושא פורייה.לדוגמה, חלקים שנבנו לעתים קרובות אנכית להראות נקודות תשואות שונות לאחר טיפול חום בהשוואה לחלקים שנבנו אופקית בשל מבנה גרגר הטורטרופי.

מסקנה

טיפולים גמישים לעיבוד לאחר טיפול הם הכרחי עבור אופטימיזציה של כוח התשואות של מתכות המיוצרות באופן תוספתי, מאופיין על ידי מתחים חיים, מבנים סלולריים בסדר, ולא-equilibrium שלב, מספק נקודת התחלה ייחודית להגיב אחרת לטיפול חום מותאם אישית, כמו אופטימיזציה של חומרים חיוניים לפיתוח חום.