Kann eine Wärmebehandlung das Ermüdungsverhalten von 3D-gedruckten Metallteilen verbessern?

Das Hauptproblem bei der Ermüdungsleistung besteht darin, dass 3D-gedruckte Teile von Geburt an Fehler aufweisen.
Die Probleme mit der Ermüdungsbeständigkeit des 3D-Metalldrucks ergeben sich aus der Art und Weise, wie er hergestellt wird. Am Beispiel einer Titanlegierung (Ti-6Al-4V) schmilzt das Pulverbettschmelzverfahren (PBF) das Metallpulver schnell und verfestigt es dann. Dies führt zu folgenden Problemen:
Heterogenität der Mikrostruktur: Die Hauptkörner haben eine grobe säulenförmige Struktur mit mehr Phase in der Nähe der Kornkanten, was die Entstehung von Ermüdungsrissen erleichtert.
Löcher und Lücken: Wenn das Pulver nicht vollständig schmilzt oder sich das Gas auflöst, kann die innere Porosität bis zu 0,5 % bis 2 % betragen, was die Ermüdungsgrenze erheblich senkt.
Eigenspannung: Die Zugspannung, die durch schnelles Abkühlen entsteht, kann 50 bis 70 % der Streckgrenze des Materials betragen, was die Rissbildung beschleunigt.
Das Institut für Metalle der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat herausgefunden, dass die Spannungsermüdungsfestigkeit einer typischen 3D-Druck-Titanlegierung nur 475 MPa beträgt, was weit unter den 900 MPa liegt, die sie im geschmiedeten Zustand haben sollte. Dies ist vor allem auf Poren und eine raue Textur zurückzuführen, die Risse verursachen.
2. Der Weg der Wärmebehandlungstechnologie reicht von der Beseitigung von Mängeln bis hin zur Verbesserung der Organisation.
Durch die Steuerung von Temperatur, Dauer und Abkühlgeschwindigkeit werden mit der Wärmebehandlung drei Hauptziele erreicht:
1. Fehler im Inneren beseitigen: Die Technologie des Heißisostatischen Pressens (HIP)
Beim HIP-Verfahren wird ein Inertgas wie Argon verwendet, um Druck bei sehr hohen Temperaturen (900–1250 Grad) und sehr hohen Drücken (100–200 MPa) zu erzeugen. Dadurch verändert das Material seine Form und verschließt eventuelle Löcher im Inneren. Zum Beispiel:
In der Luft- und Raumfahrt nutzte GE Aviation SLM zum Drucken von Inconel 718-Turbinenschaufeln und anschließend HIP zur Behandlung. Dadurch wurde die Porosität von 0,8 % auf 0,02 % gesenkt und die Ermüdungslebensdauer verdreifacht.
Verbesserung von Titanlegierungen: Ein Unternehmen in Chongqing nutzte die HIP-Behandlung, um Ti-6Al-4V in 3D zu drucken. Dadurch wurde die Ermüdungsgrenze von 550 MPa auf 900 MPa angehoben, was dem geschmiedeten Zustand entspricht, und das Material wurde deutlich weniger anisotrop.
2. Die gerichtete Rekristallisationstechnologie wird verwendet, um die Korngröße gleichmäßiger und die Mikrostruktur gleichmäßiger zu machen.
Das gerichtete Rekristallisationsverfahren des MIT steuert den Temperaturgradienten (z. B. Ziehen mit 2,5 mm/h bei 1235 Grad), um säulenförmige Kristallstrukturen zu erzeugen, indem die Körner in eine bestimmte Richtung wachsen. Diese Technologie:
Um das Kriechen zu stoppen, richten Sie säulenförmige Kristalle mit der höchsten Spannungsachse aus, verhindern das Gleiten der Korngrenzen bei hohen Temperaturen und verdoppeln die Kriechlebensdauer von Hochtemperaturlegierungen auf Nickel--Basis.
Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit: Beim Einsatz von Gasturbinenschaufeln erhöht die Beseitigung von Grobkorn- und Versetzungsfehlern die Widerstandsfähigkeit gegen die Entstehung von Ermüdungsrissen um 60 %.
3. Kontrolle der Phasenänderungen: feste Lösung mit Alterungsbehandlung
Bei Materialien wie Aluminiumlegierungen bricht die Lösungsbehandlung (z. B. zweistündiges Halten bei 540 Grad) die Verfestigungsphase ab. Anschließend führt eine Alterungsbehandlung (z. B. 8-stündiges Halten bei 155 Grad) zur Bildung von nanoskaligen Niederschlägen (z. B. der θ-Phase).
Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit: Nach der T6-Wärmebehandlung stieg die Streckgrenze der F357-Aluminiumlegierung von 280 MPa auf 380 MPa, die Dehnung blieb jedoch mit 12 % gleich.
Das URQ-HIP-Verfahren von Quintus Technologies kombiniert eine Festlösungs- und Hochdruckbehandlung, um das Wiederöffnen von Poren zu verhindern, wodurch die F357-Aluminiumlegierung eine Ermüdungslebensdauer erhält, die länger ist als die der MMPDS-Standardgussteile.
3, Ingenieurpraxis: Übergang vom Labor zur Industrialisierung
1. Der Bereich Luft- und Raumfahrt
Siemens setzt SLM ein, um Klingen aus einer Nickel-basierten Hochtemperaturlegierung zu drucken. Diese Schaufeln werden dann mit HIP und gerichteter Rekristallisation behandelt, um komplizierte Kühlkanäle hinzuzufügen, was die Turbine um 5 % effizienter macht und 3 % weniger Kraftstoff verbraucht.
Leichte Strukturteile: Die Boeing 787 verfügt über 3D--gedruckte Halterungen aus Titanlegierung, die zweimal erhitzt werden (HIP+Alterung), um sie 40 % stärker und 30 % leichter zu machen.
2. Medizingeräteindustrie
Johnson&Johnson Medical hat 3D-gedruckte Hüftgelenke vakuumgeglüht, um Oberflächeneigenspannungen zu beseitigen. Anschließend wurde die Oberfläche durch chemisches Polieren auf Ra0,8 μm glatter gemacht und den Implantaten eine Ermüdungslebensdauer von mehr als 20 Jahren verliehen.
Anti-Ermüdungsdesign: Die NAMP-Technik (Defekt- und Gewebeschritt-für-Schrittregulierung) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat die Zugermüdungsfestigkeit des Ti-6Al-4V-Implantats von 475 MPa auf 978 MPa erhöht, den höchsten Wert der Welt.
3. Das Thema Energieausrüstung
Reparatur einer Gasturbine: Das MIT-Team reparierte eine 3D--gedruckte Brennkammer aus einer Legierung auf Nickelbasis- mithilfe einer gerichteten Rekristallisationsbehandlung. Durch diese Behandlung konnte die Kammer einer Belastung von 200 MPa bei einer hohen Temperatur von 650 Grad standhalten und die Kriechrate um 80 % senken.
Kernkraftteile: Die EDF-Gruppe in Frankreich nutzt die HIP-Behandlung, um Rohrverbindungen aus Edelstahl im 3D-Druck zu drucken. Dadurch werden interne Fehler beseitigt und die Verbindungen werden durch Lösungsbehandlung korrosionsbeständiger, um die nuklearen Sicherheitsvorschriften zu erfüllen.