Il trattamento termico può migliorare le prestazioni a fatica delle parti metalliche stampate in 3D?

però, Il problema principale con le prestazioni a fatica è che le parti stampate in 3D presentano difetti fin dalla nascita.
I problemi con le prestazioni a fatica della stampa 3D in metallo derivano dal modo in cui è realizzata. Utilizzando la lega di titanio (Ti-6Al-4V) come esempio, il metodo di fusione a letto di polvere (PBF) scioglie rapidamente la polvere metallica e quindi la solidifica. Ciò causa i seguenti problemi:
Eterogeneità della microstruttura: i grani principali hanno una struttura colonnare ruvida, con più fasi vicino ai bordi dei grani, che rende più facile l'inizio delle cricche da fatica.
Fori e spazi vuoti: se la polvere non si fonde completamente o il gas si dissolve, la porosità interna può raggiungere dallo 0,5% al ​​2%, riducendo notevolmente il limite di fatica.
Stress residuo: lo stress da trazione derivante dal raffreddamento rapido può rappresentare dal 50% al 70% della resistenza allo snervamento del materiale, il che accelera la crescita delle crepe.
L’Istituto dei metalli, Accademia cinese delle scienze, ha scoperto che la resistenza alla fatica e alla tensione della tipica lega di titanio per stampa 3D è di soli 475 MPa, che è di gran lunga inferiore ai 900 MPa che dovrebbe essere una volta forgiata. Ciò è dovuto principalmente ai pori e alla consistenza ruvida che causano crepe.
2, Il percorso della tecnologia del trattamento termico va dall'eliminazione dei difetti al miglioramento dell'organizzazione.
Gestendo la temperatura, la durata e la velocità di raffreddamento, il trattamento termico raggiunge tre obiettivi principali:
1. Eliminare i difetti interni: la tecnologia della pressatura isostatica a caldo (HIP)
Il processo HIP utilizza un gas inerte, come l'argon, per spostare la pressione a temperature molto elevate (900–1250 gradi) e pressioni molto elevate (100–200 MPa). Questo fa sì che il materiale cambi forma e chiuda eventuali buchi al suo interno. Ad esempio:
Nel settore aerospaziale, GE Aviation ha utilizzato la tecnologia SLM per stampare le pale delle turbine Inconel 718 e poi l'HIP per trattarle. Ciò ha ridotto la porosità dallo 0,8% allo 0,02% e ha triplicato la durata a fatica.
Miglioramento delle leghe di titanio: un’azienda di Chongqing ha utilizzato il trattamento HIP per stampare in 3D Ti-6Al-4V. Ciò ha aumentato il limite di fatica da 550 MPa a 900 MPa, che è lo stesso della condizione forgiata, e ha reso il materiale molto meno anisotropo.
2. La tecnologia di ricristallizzazione direzionale viene utilizzata per rendere la dimensione del grano più uniforme e la microstruttura più uniforme.
La procedura di ricristallizzazione direzionale del MIT controlla il gradiente di temperatura (ad esempio, aspirando a 2,5 mm/h a 1235 gradi) per creare strutture cristalline colonnari facendo crescere i grani in una certa direzione. Questa tecnologia:
Per arrestare lo scorrimento viscoso, allinea i cristalli colonnari con l'asse di sollecitazione più alto, interrompi lo scorrimento dei bordi dei grani alle alte temperature e raddoppia la durata dello scorrimento viscoso delle leghe ad alta temperatura-a base di nichel-.
Miglioramento della resistenza alla fatica: nell'uso delle pale delle turbine a gas, l'eliminazione dei difetti di grana grossa e di dislocazione aumenta la resistenza all'inizio delle cricche da fatica del 60%.
3. Controllo dei cambiamenti di fase: soluzione solida con trattamento di invecchiamento
Per materiali come le leghe di alluminio, il trattamento della soluzione (come il mantenimento a 540 gradi per 2 ore) interrompe la fase di rafforzamento. Quindi, il trattamento di invecchiamento (come il mantenimento a 155 gradi per 8 ore) fa sì che si formino precipitati su scala nanometrica (come la fase θ).
Equilibrio tra resistenza e tenacità: dopo il trattamento termico T6, il limite di snervamento della lega di alluminio F357 è aumentato da 280 MPa a 380 MPa, ma l'allungamento è rimasto lo stesso al 12%.
Il processo URQ-HIP di Quintus Technologies combina una soluzione solida e un trattamento ad alta-pressione per impedire la riapertura dei pori, conferendo alla lega di alluminio F357 una durata a fatica più lunga rispetto alle fusioni standard MMPDS.
3, Pratica ingegneristica: transizione dal laboratorio all'industrializzazione
1. Il settore aerospaziale
Siemens utilizza la tecnologia SLM per stampare lame in lega ad alta temperatura-a base di nichel-. Queste pale vengono poi trattate con HIP e ricristallizzazione diretta per aggiungere complicati canali di raffreddamento, che rendono la turbina più efficiente del 5% e utilizzano il 3% in meno di carburante.
Parti strutturali leggere: il Boeing 787 è dotato di staffe in lega di titanio stampate in 3D- che vengono riscaldate due volte (HIP+invecchiamento) per renderle il 40% più resistenti e il 30% più leggere.
2. Industria dei dispositivi medici
Johnson&Johnson Medical ha ricotto sotto vuoto le articolazioni dell'anca stampate in 3D per eliminare lo stress residuo sulla superficie. Hanno quindi utilizzato la lucidatura chimica per rendere la superficie più liscia fino a Ra0,8 μm e conferire agli impianti una durata a fatica di oltre 20 anni.
Design anti-fatica: la tecnica NAMP (regolazione dei difetti e dei tessuti passo-by-step) dell'Accademia cinese delle scienze ha aumentato la resistenza alla fatica da trazione dell'impianto Ti-6Al-4V da 475 MPa a 978 MPa, il livello più alto al mondo.
3. Il tema delle apparecchiature energetiche
Riparazione di una turbina a gas: il team del MIT ha riparato una camera di combustione in lega a base di nichel-stampata in 3D utilizzando un trattamento di ricristallizzazione diretta. Questo trattamento ha reso la camera in grado di sopportare 200 MPa di stress ad una temperatura elevata di 650 gradi e di ridurre la velocità di scorrimento dell'80%.
Parti per l'energia nucleare: il gruppo EDF in Francia utilizza il trattamento HIP per stampare in 3D giunti di tubi in acciaio inossidabile. Ciò elimina i difetti interni e rende i giunti più resistenti alla corrosione attraverso il trattamento della soluzione per soddisfare le norme sulla sicurezza nucleare.