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3D 打印金属零件有多坚固?金属增材制造中的冶金完整性

来源:意动科技


每一种材料加工或制造方法都会对材料结构产生影响,因此也影响加工材料的特性。 虽然涉及粉末和焊接冶金的许多方面,增材制造(AM)冶金具有自己独特的加工-结构-属性关系。加工会影响材料微观结构(颗粒或晶体的大小、形状和方向),从而改变金属合金的机械性能。材料属性和结构也改变了材料的加工方式。例如,某些合金加成会使合金在轧制、锻造或其他锻造加工时过于易碎。铸造、粉末金属和工艺可能是生产某些高合金材料的唯一方法。合金的化学性能或成分也会发生变化。



例如,钛合金会吸氧,这将增加钛的强度到一个临界点。但是,如果氧气含量过高,钛合金就会变得易脆并出现裂纹。虽然具体取决于金属合金,但是粉末金属也容易受到氧气和氮气的污染。美国宇航局的研究人员发现,镍超合金中的氮含量增加会导致 AM部分的颗粒尺寸增加。



与使用激光熔化(LM)粉床和直接能量沉积(DED)粉末或电线馈送的过程相比,粉床电子束熔化(EBM)工艺往往会产生较低的残余应力水平和更少的开裂,这很可能是由于冷却缓慢和原位老化造成的。DED粉末或线材输入的 AM 工艺可用于放置多种材料,从而能够使用具有更坚固型芯和耐磨表面层的零件。损耗、铸模、模具或工具表面可以通过DED工艺进行重建或修复。大多数采用熔化的工艺会迅速凝固金属物质,从而减少元素分离,有助于开发精制或独特的微观结构。然而,快速冷却会导致气体滞留、分层、保留多余的亚稳相并增加残余应力水平。粘结机喷射物质不易分层,但已建成的"绿色"零件可能很易碎,在烧结或烧结之前具有高孔隙度。



残余应力和开裂

残余应力和开裂是3D打印金属零件制造中的主要问题。铸造、焊接、冷成型和加工工艺有时会产生残余应力,导致部件破裂。残余拉伸应力可能导致扭曲或变形,并降低疲劳强度。减压热处理可应用于零件以消除残余应力,但在这个过程中可能会发生零件变形和开裂。机械锤击、激光锤击和超声波锤击可给零件带来残余压缩表面应力从而增强疲劳性能。



高残余拉伸应力可能导致部件出现裂纹。在AM熔化和凝固的步骤中,可能会发生分离、液化和收缩。由于合金中的低熔化成分首先凝固,在凝固过程中分离出来,因此发生液化。重新加热后,这些液化区域可能导致液化裂纹,通常在焊接池外的部分熔化区域(PMZ)中。



在焊接或铸造的中心,从液体到固体体积变化的收缩可能导致凝固裂纹。在以焊接或等离子弧为基础的增材过程中,更热和更大的熔池加热形式更有可能发生液化和凝固开裂。



在“Effect of Si on the SLM processability of IN738LC”(Si对 IN738LC 的 SLM 加工能力的影响)一文中,研究人员R. Engeli等人报告了Inconel选择性激光熔化AM过程中出现凝固或液化裂纹的外观,这归因于硅成分熔化率较低。人们期望在使用高度聚焦、高能量密度的电子束增材过程中较少的出现液化和凝固开裂问题。在选择性激光熔化中也可能发生分层和开裂的问题。



热积聚和氧化

当连续层叠加时,热量会积聚在增材零件内,导致颗粒或微观结构粗糙。根据零件尺寸和几何形状,在叠层熔化完成后,EBM工艺可能需要5到80个小时才能冷却到100°C 以下,因此,增材制造的零件在AM工艺室中可能会经历大量的退火和再结晶。



在空气中加热某些金属粉末或部件可能会导致氧化或氧化水表的形成,因此熔化过程(LM、EBD、DED)使用惰性气体或真空。如果金属沉积室内不控制大气,则会发生沉积金属氧化和污染,钛等合金会因此脆化。氧化还可能衍生脆氧化物内含物,从而导致一个可能会有裂纹的表面。飞机级合金通常采用真空弧重熔(VAR)来生产更清洁、更均匀的合金产品,具有关键服务应用所需的卓越性能。一些供应商当前的AM 设备使得易氧化材料的零件制造变得困难。在许多系统中,金属粉末经常在露天的环境下装卸。SLM解决方案集团AG的增材系统使用惰性气体保护原始和回收的金属粉末免受氧化,如SLM 280和500选择性激光熔化(SLM)机器及其 PSM 回气站。



表面光洁度

与传统工艺相比,AM 表面往往更粗糙。与抛光样品相比,更粗糙的表面处理可降低疲劳强度。增材零件可以被加工、磨削或抛光,以加强表面粗糙度,以Ra或其他表面光洁度属性进行测量。等向性超精加工工艺可能允许表面光洁度改进,而不会改增材制造零件的几何形状。挤出磨削或磨料流加工可用于细化内部通道或空心的表面。 在NASA技术报告“Additive Manufacturing Overview: Propulsion Applications, Design for and Lessons Learned”中,美国宇航局马歇尔航天飞行中心的工程项目经理克里斯汀·摩根(Kristin Morgan)提到,选择性激光熔化718镍基合金(UNS N07718)的疲劳性能是经过各种制造后表面光洁度增强处理后确定的。低应力接地样本最接近NO7718的MMPDS设计值的属性。



孔隙度和微观结构

锻造材料(轧制、挤压或锻造合金)密度为100%,这些"锻造"工艺中的机械变形和再结晶可优化微观结构或颗粒结构。合金中良好的微观结构提供了更多的边界来阻止金属弯曲或有压力时错位和裂纹。铸件、粉末金属部件和某些增材制造部件通常不是100%的密度。例如,打印的不锈钢通常具有很高的多孔性,因此它们很弱,容易断裂。材料中的孔为裂纹形成提供起始点。



加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的材料科学家Yinmin “Morris” Wang说:“表现糟糕。”铸件、PM或增材部件的静态拉伸特性通常等同于锻造金属零件,但疲劳和蠕变特性对孔隙度和清洁度或内含物表现出敏感。



在国际材料评论中,根据“The metallurgy and processing science of metal AM”(金属增材制造的冶金与加工科学),编制的增材制造金属部件(特别是粉末床工艺)通常具有柱状、定向的显微组织。EBM增材制造过程的等轴生长可以发生在低温梯度下的高固液界面速度。然而,在EBM工艺中,随着零件冷却,可以发生原位时效和广泛的晶粒生长。等轴或针状组织往往具有更好的疲劳特性,至少在钛合金中是这样。然而,当零件冷却时,EBM过程中可能会发生原位老化和大量谷物生长。等轴或交流结构往往有更好的疲劳特性,至少在钛合金中是这样。



增材制造的特性因方向而异,因为定向凝固、残余应力、颗粒方向和因方向而异的裂纹。每种冶金工艺都可以在微观结构中产生纤维纹理或晶体颗粒的首选方向。由于定向凝固这一因素,属性往往随晶体学方向而变化,因此特定属性可能会根据特定纹理而增强或减少。单晶镍基合金的疲劳裂纹生长对晶体相对于载重轴的方向非常敏感,因此发展控制微观结构和颗粒方向的能力对于关键的航空航天部件非常重要。



在“AM Research and Development at the NASA Glenn Research Center”(美国宇航局格伦研究中心的增材制造研发和发展) 的报告中,材料研究工程师Robert Carter发现了EBM Ti6Al4V钛的机械性能,其等效或优于 MMPDS 手册数据值。他还指出,处理参数可以改变纹理和冲击属性。地段1和地段2(不同的"构建")显示了与X射线衍射杆图观察到的纤维纹理变化相关的不同机械强度。下图显示了从X、Y和Z方向采集的 AM 样本的疲劳强度变化。Z垂直于沉积表面,X与遍历光束在线,Y与平面垂直,垂直于Y。增材制造过程中会发生定向固化,使材料的性能会随方向发生变化。



微结构控制和构建后处理


随着AM的结构控制的发展,增材的材料特性具有匹配或增强的潜力,超越传统的锻造和铸造特性。AM工艺已被证明可分解增强的碳化物或氧化物聚集物,从而增强材料性能。另一方面,需要密切控制AM工艺构建和后处理参数,以消除诸如孔隙度(气体或过程诱导)、以前材料运行中的颗粒污染(例如Ti6Al4V中的Nb颗粒)、未熔炼原料颗粒内含物、缺乏熔合缺陷、裂纹、孔隙度、高表面粗糙度、残余应力、扭曲和不良纹理等缺陷。与基于统计的设计值的MMPDS数据库相比,通常需要适当的构建后热处理,如热等静压(HIP)和热处理,才能始终如一地达到等效或优越的性能。铸件和喷气发动机叶片经常进行HIP处理,以关闭内部毛孔,并提供具有改进疲劳、蠕变和韧性特性的完全密集部件。




压力技术公司提供用于密度化3D打印金属零件的HIP服务。HIP可增加AM部件的疲劳强度。在某些合金上,铸件或粉末金属部件的微观结构可以通过老化的热处理进行精炼,以提高材料性能。表面光洁度精炼和表面增强(射光或激光尿)可以在HIP之后应用,以进一步增强疲劳性能。AM有可能为需要高性能材料的结构应用制造具有独特微观结构的合金。金属AM的近期发展降低了孔隙度和独特的微观结构,提高了材料性能。通过开发改进的机器可靠性、NDE质量保证方法、工艺质量控制和原料加工控制,将提高金属增材零件的完整性。




文章来源:Engineering360

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