Ar terminis apdorojimas keičia metalo kristalinę struktūrą?

Kas yra kristalų struktūra ir kodėl jums tai turėtų rūpėti?

Metalas nėra kietas per visą kelią - Jis pagamintas iš grūdelių

Metalai susideda iš mažų kristalų, vadinamų grūdeliais. Kiekvienas grūdas turi sutvarkytą atominę gardelę, o grūdeliai susitinka grūdų ribose. Grūdelių dydis, forma, orientacija ir jų viduje esančios fazės kontroliuoja mechaninį elgesį.

Analogija: pagalvokite apie sieną. Tvarkingai sukrautos vienodos plytos (smulkūs, lygiašiai grūdeliai) sukuria tvirtą, nuoseklią struktūrą. Atsitiktinai sukrauti įvairaus dydžio akmenys (stambūs arba stulpiniai grūdeliai) sukuria silpnąsias vietas.

Kaip krištolo struktūra veikia tikrąjį{0}}pasaulinį dalių našumą

Smulkūs grūdeliai → Didesnis stiprumas ir didesnis atsparumas nuovargiui (Hall{0}}Petch santykis).

Stambūs grūdai → Geresnis atsparumas aukštai{0}}temperatūrai.

Anizotropija → SLM dalys dėl stulpelinių grūdelių dažnai veikia skirtingai kūrimo kryptimi (Z), palyginti su horizontalia (XY).

Vizualiai tobula detalė gali sugesti esant apkrovai, jei vidinė grūdelių struktūra yra nepalanki.

Ką SLM procesas veikia kristalų struktūrai?

Unikali mikrostruktūra, sukurta naudojant priedų metalo 3D spausdinimą

SLM apima 10³–10⁶ laipsnių/s aušinimo greitį, sukuriant ne-pusiausvyros struktūras:

Stulpeliai, augantys epitaksiškai išilgai statymo krypties (Z-ašis).

Ti-6Al-4V: smailus martensitas – labai stiprus, bet trapus.

AlSi10Mg: super-smulkus eutektinio silicio tinklas aliuminio matricoje.

Nikelio lydiniai: dendritinės struktūros su elementų segregacija.

Plienas: dažnai martensitinis.

Jie labai skiriasi nuo lietinių ar kaltinių ekvivalentų, todėl yra didesnis stiprumas, bet mažesnis plastiškumas ir anizotropijapriedų metalo 3D spausdinimasdalys.

Liekamoji įtampa ir jo ryšys su kristalų struktūra

Greiti terminiai gradientai užfiksuoja įtempius grūdelių ribos lygyje. Sukurtas SLM Ti-6Al-4V gali turėti 600–900 MPa liekamąjį įtempį, todėl gali atsirasti įtrūkimų ar deformacijų.

Ar terminis apdorojimas keičia kristalų struktūrą?

Taip. Terminis apdorojimas skatina atsigavimą (atsipalaiduoja stresą), rekristalizaciją (naujų grūdelių susidarymą) ir grūdų augimą. Tikslūs pokyčiai priklauso nuo temperatūros, laiko, aušinimo greičio ir lydinio chemijos.

Titano lydiniai (Ti-6Al-4V)

Pagaminta-: daugiausia smailus martensitas (stiprus, bet mažas lankstumas).

Streso mažinimas (600–750 laipsnių): Martensitas pradeda irti.

Apdorojimas tirpalu + senėjimas (STA) arba HIP (~900–950 laipsnių +): virsta sluoksnine arba lygiagrečia + struktūra, pagerina elastingumą ir nuovargio tarnavimo laiką, kartu subalansuojant stiprumą.

SLM titano mikrostruktūra po atkaitinimo pereina iš trapaus martensito į labiau subalansuotą + fazę.

Nerūdijantis plienas (316L ir 17-4PH)

316L: Austenitinis ir gana stabilus. Terminis apdorojimas daugiausia sumažina įtampą ir homogenizuoja be didelių fazių pokyčių, nors sumažina anizotropiją.

17-4PH: pagamintas martensitinis. Tirpalo atkaitinimas grįžta į austenitą; senėjimas iššaukia stiprėjimo fazes. Daug geriau reaguoja į terminį apdorojimą nei 316L.

Aliuminio lydiniai (AlSi10Mg)

Kaip-sukurta: labai smulkus silicio tinklas, užtikrinantis didelį stiprumą greitai kietėjant. T6 gydymas: tirpinimas ištirpdo tinklą; senėjimas iššaukia stiprėjimo fazes. Silicio dalelės šiurkštėja (Ostwald nokimas), pagerindamos plastiškumą, bet dažnai šiek tiek sumažindamos didžiausią stiprumą.

Norint išvengti pernelyg didelio iškraipymo ar per{0}}šiurkštėjimo, SLM aliuminio lydinio dalių geriausiam terminiam apdorojimui reikia atidžiai kontroliuoti.

Nikelio superlydiniai (IN625, IN718)

Sukurta-: dendritinis su Nb/Mo segregacija. Homogenizacija + tirpalas + dvigubas senėjimas: sumažina segregaciją, formuoja stiprinančias '' nuosėdas. Praleidus homogenizaciją, priedų metalo 3D spausdinimo IN718 dalyse atsiranda nenuoseklių savybių.

Įrankinis plienas ir martentinis plienas (MS1 / 18Ni300)

Sukurta-: martensitinė matrica. Senėjimas (480–520 laipsnių): Martensito matricoje susidaro smulkios tarpmetalinės nuosėdos (Ni₃Ti ir kt.). Kietumas labai šokteli (pvz., ~38 HRC → 50–54 HRC) pasikeitus minimaliems matmenims.

Palyginimo lentelė

Kaip kristalų struktūros pokyčiai veikia mechaninį veikimą

Stiprumas ir elastingumas Prekyba-Išjungta

Terminis apdorojimas dažnai keičia tam tikrą didžiausią tempimo stiprumą, kad būtų daug geresnis pailgėjimas ir tvirtumas. Ši pusiausvyra yra būtina realioms programoms.

Nuovargio gyvenimas - Labiausiai grūdų struktūros paveiktas turtas

Stulpeliniai grūdeliai{0}}sukonstruotose dalyse sukuria silpnus plyšių plitimo kelius. Rekristalizacija ir grūdelių ribų pokyčiai po tinkamo terminio apdorojimo gali pailginti nuovargio trukmę 20–40% ar daugiau.

Anizotropijos sumažinimas po terminio apdorojimo

Kaip-sukonstruotos SLM dalys: XY savybės dažnai 15–25 % geresnės nei Z. Tinkamas apdorojimas žymiai sumažina šį spragą, o tai labai svarbu kelių-krypčių apkrovai.

Kaip terminis apdorojimas pagerina mechanines 3D spausdintų dalių savybes, visų pirma per šiuos mikrostruktūrinius optimizavimus.

Tikri scenarijai

Scenarijus 1 - Titano Aerospace Component As-Statybinės martensitinės dalys, įtrūkusios atliekant smūginius bandymus. Po STA apdorojimo sukūrus + struktūrą, identiška geometrija praėjo su parašte.

Scenarijus 2 - Aliuminio prototipas Nekvalifikuoto tiekėjo pernelyg agresyvus T6 sukėlė per didelį grūdelių sutirštėjimą ir 0,4 mm iškraipymą. Kvalifikuotas priedų metalo 3D spausdinimo gamintojas su kontroliuojamais procesais to užkirto kelią.

Scenarijus 3 - IN718 turbinos dalis Praleistas homogenizavimas sukėlė ±8 HRC pokytį. Viso pakartotinio apdorojimo{4}} išlaidos padvigubėjo.