Wie wirken sich Wärmebehandlungsparameter auf die Leistung des Endteils aus?

1. Temperaturparameter: Mikrostrukturrekonstruktion durch Phasenübergang
Kontrolle der Temperatur und Phasenzusammensetzung der festen Lösung
Die Temperatur des Lösungsglühens hat einen direkten Einfluss darauf, wie gut sich Legierungselemente in der Metallmatrix lösen. Der verstärkende Kern des 3D-gedruckten 17-4PH-Edelstahls sind die Kupferpartikel, die aus seiner martensitischen Matrix herausfallen. Wenn die Temperatur der festen Lösung zwischen 1040 und 1080 Grad gehalten wird, löst sich das Kupferelement vollständig in der Austenitmatrix auf, wodurch eine übersättigte feste Lösung entsteht. Liegt die Temperatur unter 1000 Grad, festigen verbleibende Kupferpartikel das Material nicht ausreichend. Steigt die Temperatur auf über 1100 Grad, wird das Material weniger robust, da die Körner größer werden. Laut Untersuchungen des Instituts für Metalle der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kann die HIP-Behandlung bei 950 Grad dazu beitragen, dass sich der Martensit in der Ti6Al4V-Legierung in eine zweiphasige Struktur umwandelt. Dadurch erhöht sich die Dehnung auf 13,15 %, während die Streckgrenze bei 909,5 MPa bleibt.
Verbesserung des Temperatur- und Niederschlagsverhaltens der Alterung
Die Zeitbehandlung macht die Dinge stärker, indem sie die Größe und Ausbreitung der Partikel der zweiten Phase steuert. Das Team der Shanghai University of Technology ließ die von SLM hergestellte CuCrZr-Legierung eine Stunde lang bei 500 Grad altern. Dadurch stieg die Zugfestigkeit von 460 MPa auf 585 MPa und die Leitfähigkeit von 31 % IACS auf 64 % IACS. Der Verfestigungsmechanismus beruht darauf, dass während des Alterungsprozesses Cr-Atome aus der Kupfermatrix austreten. Dadurch entstehen nanoskalige CrxZry-Partikel, die durch den Orowan-Verstärkungsmechanismus die Versetzungsmigration stoppen. Wenn die Alterungstemperatur auf 550 Grad ansteigt, werden die ausgeschiedenen Phasen gröber, was das Material schwächer macht. Allerdings wird das Material duktiler, wobei die Duktilität aufgrund eines Rückgangs der Versetzungsrutschfestigkeit um 20 % zunimmt.
2. Zeitparameter: Das Gleichgewicht zwischen der Behebung von Fehlern und der Leistung
Haltezeit und Wirksamkeit des Porenverschlusses
Die Haltedauer hat einen direkten Einfluss darauf, wie gut die Poren nach der HIP-Behandlung repariert werden. Untersuchungen zum HIP-Prozess der Ti6Al4V-Legierung zeigen, dass bei 920 Grad/140 MPa eine zweistündige Behandlung die Porosität von 0,8 % auf 0,02 % reduzieren und eine Dichte von 99,99 % erreichen kann; Wenn die Haltezeit auf 4 Stunden verlängert wird, sinkt die Porosität weiter auf 0,005 %, die Korngröße steigt jedoch von 10 μm auf 15 μm, was zu einer Verringerung der Streckgrenze um 8 % führt. Das bedeutet, dass das Halten durch längeres Halten zwar zu einer höheren Dichte führen kann, aber auch zu seltsamem Kornwachstum führen kann. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen der Behebung von Fehlern und der Aufrechterhaltung der Leistung gefunden werden.
Kinetik der Phasenänderung und Isolationszeit
Die Isolierzeit der Mischkristallbehandlung sollte sicherstellen, dass alle Legierungselemente vollständig aufgelöst sind. Bei einer 3D--gedruckten IN718-Hochtemperaturlegierung kann das Nb-Element in der Matrix vollständig aufgelöst werden, wenn man es eine Stunde lang bei 1080 Grad hält. Wenn die Isolationszeit auf 30 Minuten verkürzt wird, kann die Verstärkungsphase von '' nicht vollständig ablaufen, was dazu führt, dass die Kriechleistung bei hohen Temperaturen um 40 % sinkt. Die Dauer der Isolierung des Materials während der Alterungsbehandlung hat Einfluss auf die Größe der sich bildenden Phasen. Nach einer Alterung bei 720 Grad für 8 Stunden beträgt die Größe der ''-Phase in der 718-Legierung beispielsweise 50 nm, was sich am besten zur Verfestigung eignet. Nach 16 Stunden Alterung wuchs die ausgefällte Phase auf 100 nm an, wodurch die Festigkeit um 15 % sank.
3. Abkühlgeschwindigkeit: Verfeinerung der Organisation und Kontrolle der Restspannung
Die Abschreckgeschwindigkeit und die Produktion von Martensit
Die Geschwindigkeit, mit der das Metall während des Abschreckens abkühlt, beeinflusst, welche Phasenübergangsprodukte entstehen. Bei 3D-gedrucktem H13-Werkzeugstahl kann die Abkühlrate des Ölabschreckens von 50 Grad pro Sekunde zu Martensit-Flachnudeln mit einer Härte von 52 HRC führen. Kühlt man es mit Luft (5 Grad pro Sekunde) ab, bildet sich die Bainitstruktur und die Härte sinkt auf 40 HRC. Auch wenn ein schnelles Abschrecken die Dinge schwieriger machen kann, kann es auch dazu führen, dass sie reißen. Um das richtige Gleichgewicht zwischen Härte und Eigenspannung zu finden, ist ein abgestuftes Abschrecken erforderlich (z. B. zuerst Abkühlen auf 600 Grad und dann Ölabkühlen).
Eine langsame Abkühlgeschwindigkeit und Stressabbau
Die langsame Abkühlgeschwindigkeit während der Glühbehandlung wirkt sich darauf aus, wie Restspannungen abgebaut werden. Es dauerte 2 Stunden, um die AlSi10Mg-Aluminiumlegierung für den 3D-Druck mit einer Geschwindigkeit von 5 Grad pro Minute von 300 Grad auf Raumtemperatur abzukühlen. Dadurch wurde die Eigenspannung um 70 % reduziert. Wenn die Abkühlrate auf 20 Grad pro Minute erhöht wird, sinkt die Eigenspannung nur um 30 %. Langsames Abkühlen unterstützt die Neuordnung von Versetzungen und die Migration der Korngrenzen, wodurch Spannungen abgebaut werden. Allerdings kann eine zu langsame Abkühlgeschwindigkeit dazu führen, dass die Körner gröber werden, daher sind entsprechende Einstellungen zur Materialoptimierung erforderlich.
4. Multi-kollaborative Optimierung: von „Versuch und Irrtum“ zur „präzisen Steuerung“
Die digitale Zwillingstechnologie treibt die Parametervorhersage voran
Siemens und Boeing haben gemeinsam eine digitale Zwillingsplattform entwickelt, die zeigen kann, wie sich das Temperaturfeld, das Spannungsfeld und die Mikrostruktur der 3D-gedruckten Ti6Al4V-Legierung während der HIP-Behandlung verändern. Das System kann die beste HIP-Methode (z. B. 920 Grad/140 MPa/2 Stunden) ermitteln, indem es Faktoren wie Ausgangsporosität und Korngröße berücksichtigt. Dadurch können die Teile dreimal länger halten und die Anzahl der Tests halbiert werden.
Parameterinvertierung mit Hilfe von maschinellem Lernen
GE Aviation nutzt Techniken des maschinellen Lernens, um 100.000 Sätze von Wärmebehandlungsdaten zu untersuchen und ein Kartierungsmodell für die „Temperatur-Zeit-Kühlrate-Leistung“ zu erstellen. Dieses Modell kann Prozesseinstellungen ermitteln, die für bestimmte Leistungsanforderungen geeignet sind. Wenn die IN718-Legierung beispielsweise eine Kriechlebensdauer von 1000 Stunden bei 650 Grad aufrechterhalten muss, schlägt das System ein Prozessschema mit Alterung bei 1080 Grad/1 Stunde fester Lösung +720 Grad/8 Stunden vor. Die gemessene Kriechlebensdauer beträgt 1200 Stunden.
5. Fallstudie einer Branche: Vom Labor in die Fabrik
Der Bereich Luft- und Raumfahrt
Um den 3D-Druck von Turbinenscheiben aus Nickel--basierten Hochtemperaturlegierungen zu verbessern, setzt Rolls Royce auf die HIP-Behandlung. Mit HIP behandelte Teile haben eine Kriechlebensdauer von 173 Stunden bei einer hohen Temperatur von 1400 Grad, was mehr als die 50 Stunden ist, die für wesentliche Komponenten von GE9X-Motoren benötigt wurden.
Bereich medizinische Implantate
Nach einer 4-stündigen HIP-Behandlung bei 950 Grad am 3D-gedruckten Ti6Al4V-Hüftgelenkimplantat von Johnson&Johnson erreichte seine maximale Ermüdungsfestigkeit 550 MPa (107 Zyklen), was dem geschmiedeten, geglühten Zustand entspricht. Gleichzeitig erhöht sich die Oberflächenrauheit Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.