Führt die Wärmebehandlung beim Metall-3D-Druck zu Verformungen?

一, Das technische Wesen der Wärmebehandlung: Organisatorische Regulierung und Leistungsoptimierung
Das Erhitzen, Isolieren und Abkühlen von Metallmaterialien während der Wärmebehandlung verändert ihre Mikrostruktur, was ihre mechanischen Eigenschaften verbessert. Beim Metall-3D-Druck sind die Hauptziele der Wärmebehandlung:
Restspannung abbauen: Beim Drucken durchläuft das Material schnelle Aufheiz- und Abkühlzyklen, wodurch sich das innere Gitter verbiegt und Restspannungen entstehen. Um die Spannung abzubauen, wird das Teil unter die Rekristallisationstemperatur des Materials erhitzt (z. B. indem die Titanlegierung zwei Stunden lang bei 800 Grad gehalten wird). Dadurch wird das Gitter entspannt und die Gefahr einer Verformung bei der späteren Verarbeitung oder Nutzung verringert.
Verbesserung der Struktur des Korns: Eine Behandlung mit fester Lösung (z. B. 7075-Aluminiumlegierung bei 470 Grad) kann Verfestigungsphasen auflösen, wohingegen eine Alterungsbehandlung (z. B. 120 Grad für 24 Stunden) zur Bildung nanoskaliger Ausscheidungsphasen führen kann, was zu einer kombinierten Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit führt. Durch diesen Prozess werden die Körner kleiner und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie ihr Volumen ändern, wenn sich die Phase ändert, wodurch die Verformungsneigung geringer wird.
Behebung interner Probleme: Die Technologie des heißisostatischen Pressens (HIP) erhöht synergetisch die Materialdichte auf über 99,9 % durch die Kombination von 100–150 MPa Hochdruck und 1000–1200 Grad hoher Temperatur, schließt Mikrorisse und Poren und beseitigt lokale Spannungskonzentrationen, die durch ungleichmäßige Schrumpfung verursacht werden.
2. Der durch die Wärmebehandlung verursachte Verformungsmechanismus ist die kombinierte Wirkung von thermischer Belastung und Veränderungen in der Mikrostruktur.
Das Ziel der Wärmebehandlung besteht darin, das Risiko einer Verformung zu beseitigen. Bei falscher Durchführung kann es jedoch dennoch zu neuen Verformungen kommen. Dies geschieht hauptsächlich auf folgenden Wegen:
Aufbau thermischer Spannungen: Wenn ein Teil erhitzt und abgekühlt wird, führt der Temperaturunterschied zwischen der Außen- und Innenseite des Teils dazu, dass sich das Teil unterschiedlich ausdehnt und zusammenzieht, was zu thermischer Spannung führt. Wenn beispielsweise dünnwandige Teile schnell abgekühlt werden, schrumpft die Außenseite schneller als die Innenseite. Dies kann dazu führen, dass sich der Artikel verzieht oder verdreht.
Änderung des Volumens der organisatorischen Transformation: Änderungen der Materialdichte während des Phasenübergangsprozesses führen dazu, dass das Volumen schrumpft oder wächst. Wenn beispielsweise eine martensitische Umwandlung stattfindet, ist das Volumen größer, und wenn die Spannungsfreisetzung nicht gleichmäßig erfolgt, kann es zu Rissen kommen.
Wie sich die Stützstruktur auswirkt: Der Bereich, in dem sich Druckträger und Substrat verbinden, wird während der Wärmebehandlung wahrscheinlich zu einem Spannungskonzentrationspunkt. Wenn das Design des Trägers nicht stimmt, könnte er sich verbiegen, wenn der Träger nach der Wärmebehandlung abgenommen wird, weil in einem Bereich Spannungen nachlassen.
3, Strategie zur Kontrolle der Verformung: Verbesserung von Prozessen und Entwicklung neuer Technologien
Um die Auswirkungen der Wärmebehandlung und das Verformungsrisiko auszugleichen, hat die Industrie einen systematischen Managementplan entwickelt, der drei Bereiche berücksichtigt: Materialien, Prozesse und Ausrüstung:
1. Materialien auswählen und vorbereiten
Legierungen auf Nickelbasis wie Inconel 718 haben einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (12,5 × 10 ⁻⁶/Grad) als Titanlegierungen (8,6 × 10 ⁻⁶/Grad). Dies bedeutet, dass sie dazu beitragen können, den Aufbau thermischer Spannungen zu verhindern.
Design vor der Verformung: Verwenden Sie Simulationssoftware wie VoxelDance Engineering, um vorherzusagen, wie sich die Form des Materials durch eine Wärmebehandlung verändern würde. Verwenden Sie dann die umgekehrte Vorverformung des Originalmodells, um das kompensierte Modell nach der Wärmebehandlung auf die richtige Größe zu bringen. Beispielsweise verbesserte sich nach der Vor-Verzerrungsanpassung die Druckgenauigkeit eines dünn-wandigen Teils mit einer bestimmten gekrümmten Oberfläche um 66,2 %, und 98,6 % der signifikanten Verformungsfläche wurden entfernt.
2. Verbesserung der Prozessparameter
Erhitzen und Abkühlen in Teilen: Verwendung einer schrittweisen Erhitzungsstrategie (z. B. 30-minütiges Halten bei 50 Grad) und verzögerter Abkühlung (z. B. Luftkühlung nach dem Abkühlen des Ofens auf 200 Grad), um die durch Temperaturänderungen verursachte thermische Belastung zu verringern. Beispielsweise halten die Turbinenschaufeln von GE-Flugzeugtriebwerken nach einer HIP-Behandlung dreimal länger und verändern ihre Form nicht mehr als 0,05 % der Zeit.
Technologie für gerichtete Kristallisation: Der gerichtete Kristallisationsprozess des MIT passt die Heizrate (z. B. 2,5 cm/h) und die Temperatur (1235 Grad) an, um Körner in einer bestimmten Richtung zu Säulenformationen wachsen zu lassen. Dadurch ist das Material kriechbeständiger und verformt sich bei hohen Temperaturen weniger leicht.
3. Neue Werkzeuge und Vorrichtungen
Adaptives Spannsystem: Das Labor des Fraunhofer ILPT in Deutschland hat eine flexible Spannvorrichtung entwickelt, die Stickstoffgasfedern verwendet, um eine dynamische Klemmkraft bereitzustellen, Unterschiede in der Wärmeausdehnung beim Drucken auszugleichen und zu verhindern, dass sich 3 m × 2 m dünne{2}wandige Strukturen um mehr als ± 0,3 mm verformen.
Lokale Wärmebehandlungstechnologie: Bei großen Teilen wird eine lokale Wärmebehandlung durch Induktionserwärmung oder Laser angewendet, um zu verhindern, dass sie sich verformen, wenn sie vollständig erhitzt werden. Beispielsweise hat eine bestimmte Luftfahrthalterung dank lokaler Lösungsbehandlung eine Zugfestigkeit von 520 MPa und eine Dimensionsstabilität von mehr als ± 0,1 mm erreicht.
4, Grenzfall: Eine neue Verwendung für die Verformung durch Wärmebehandlung
Boeing setzt in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine solide Lösung und eine Alterungsbehandlungstechnik ein, um 3D-gedruckte Flugzeughalterungen mit einer Zugfestigkeit von 520 MPa stärker zu machen. Gleichzeitig hält das Vorverformungsdesign die Verformung innerhalb von ± 0,05 mm, um strenge aerodynamische Standards zu erfüllen.
Medizinische Implantate: Ein bestimmtes Unternehmen hat eine neue Methode zur Herstellung von Hüftpfannen aus Titanlegierung entwickelt, indem es „Spannungsarmglühen“ mit „Säureätzen“ kombiniert. Bei diesem Verfahren werden innere Spannungen durch Glühen entfernt und anschließend durch Säureätzen eine mikroporöse Struktur mit einer Größe von 5 bis 10 μm erzeugt. Dies unterstützt das Wachstum der Knochenzellen, ohne die Größe der Körbchen zu verändern.
Energieausrüstung: Siemens Energy stellt Gasturbinenschaufeln mithilfe der HIP+-Richtungskristallisationstechnologie her. Dadurch ist das Material 99,95 % dicht und 40 % kriechfester. Bei einer Temperatur von 1200 Grad kann es 100.000 Stunden lang laufen, ohne seine Form zu verändern.