Comment les paramètres du traitement thermique affectent-ils les performances finales de la pièce ?

1. Paramètre de température : reconstruction de la microstructure pilotée par transition de phase
Contrôle de la température de la solution solide et de la composition des phases
La température du traitement en solution a un effet direct sur la façon dont les éléments d’alliage se dissolvent dans la matrice métallique. Le noyau de renforcement de l'acier inoxydable 17-4PH imprimé en 3D est constitué des particules de cuivre qui tombent de sa matrice martensitique. Lorsque la température de la solution solide est maintenue entre 1 040 et 1 080 degrés, l’élément cuivre se dissout entièrement dans la matrice austénitique, créant une solution solide sursaturée. Si la température est inférieure à 1 000 degrés, les particules de cuivre restantes ne renforceront pas suffisamment le matériau. Si la température dépasse 1100 degrés, le matériau deviendra moins robuste car les grains grossiront. Selon une étude de l'Institut des métaux de l'Académie chinoise des sciences, le traitement HIP à 950 degrés peut aider la martensite à se transformer en une structure + biphasée dans l'alliage Ti6Al4V. Cela augmente l'allongement à 13,15 % tout en maintenant la limite d'élasticité à 909,5 MPa.
Améliorer le comportement du vieillissement en matière de température et de précipitations
Le traitement temporel rend les choses plus solides en gérant la taille et la propagation des particules de la deuxième phase. L'équipe de l'Université de technologie de Shanghai a vieilli l'alliage CuCrZr fabriqué par SLM à 500 degrés pendant 1 heure. Cela a augmenté sa résistance à la traction de 460 MPa à 585 MPa et sa conductivité de 31 % IACS à 64 % IACS. Le mécanisme de renforcement repose sur le fait que les atomes de Cr sortent de la matrice de cuivre au cours du processus de vieillissement. Cela crée des particules CrxZry à l'échelle nanométrique qui arrêtent la migration des dislocations via le mécanisme de renforcement d'Orowan. À mesure que la température de vieillissement atteint 550 degrés, les phases précipitées sont plus grossières, ce qui affaiblit le matériau. Cependant, le matériau devient plus ductile, avec une augmentation de 20 % de la ductilité due à une baisse de la résistance au glissement par dislocation.
2. Paramètre Time : l'équilibre entre la correction des bugs et les performances
Temps de tenue et efficacité de fermeture des pores
La durée de tenue a un impact direct sur la façon dont les pores sont réparés après le traitement HIP. Les recherches sur le procédé HIP de l'alliage Ti6Al4V montrent qu'à 920 degrés/140 MPa, un traitement de 2 heures peut réduire la porosité de 0,8 % à 0,02 % et atteindre une densité de 99,99 % ; Si le temps de maintien est prolongé jusqu'à 4 heures, la porosité diminue encore jusqu'à 0,005 %, mais la taille des grains augmente de 10 μm à 15 μm, ce qui entraîne une diminution de 8 % de la limite d'élasticité. Cela signifie que même si le temps de maintien peut rendre les choses plus denses, il peut également provoquer une croissance étrange des grains. Il faut donc trouver un équilibre entre la correction des défauts et le maintien des performances.
Cinétique de changement de phase et temps d'isolement
Le temps d'isolation du traitement en solution solide doit garantir que tous les éléments d'alliage sont complètement dissous. Pour l'alliage IN718 haute température -imprimé en 3D-, le maintenir à 1080 degrés pendant 1 heure peut dissoudre totalement l'élément Nb dans la matrice. Si la période d'isolation est réduite à 30 minutes, la phase de renforcement de '' ne peut pas précipiter complètement, ce qui fait chuter les performances de fluage à haute température de 40 %. La durée pendant laquelle le matériau est isolé pendant le traitement de vieillissement a un impact sur la taille des phases qui se forment. Par exemple, après un vieillissement à 720 degrés pendant 8 heures, la phase « » dans l'alliage 718 a une taille de 50 nm, ce qui est le meilleur pour le renforcement. Après 16 heures de vieillissement, la phase précipitée a atteint 100 nm, ce qui a fait chuter la résistance de 15 %.
3. Vitesse de refroidissement : affiner l’organisation et maîtriser le stress résiduel
Le taux de trempe et la production de martensite
La vitesse à laquelle le métal refroidit pendant la trempe influence les produits de transition de phase qu'il contient. Pour l'acier à outils H13 imprimé en 3D, le taux de refroidissement par trempe à l'huile de 50 degrés/s peut produire de la martensite de nouilles plates avec une dureté de 52HRC. Si vous le refroidissez avec de l'air (5 degrés/s), la structure bainitique se formera et la dureté chutera à 40HRC. Même si une trempe rapide peut rendre les choses plus difficiles, elle peut aussi provoquer des fissures. Pour trouver le bon équilibre entre dureté et contrainte résiduelle, une trempe progressive est nécessaire (par exemple, d'abord un refroidissement à 600 degrés puis un refroidissement à l'huile).
Un taux de refroidissement lent et un soulagement du stress
La lenteur du refroidissement pendant le traitement de recuit a un effet sur la façon dont les contraintes résiduelles sont libérées. Il a fallu 2 heures pour refroidir l'alliage d'aluminium AlSi10Mg pour l'impression 3D de 300 degrés à température ambiante à une vitesse de 5 degrés/min. Cela a réduit la contrainte résiduelle de 70 %. Si la vitesse de refroidissement est augmentée à 20 degrés/min, la contrainte résiduelle ne diminuera que de 30 %. Un refroidissement lent favorise le réarrangement des dislocations et la migration des joints de grains, ce qui soulage les contraintes. Cependant, une vitesse de refroidissement trop lente peut rendre les grains plus grossiers, c'est pourquoi des paramètres d'optimisation des matériaux appropriés sont nécessaires.
4. Optimisation collaborative multi-paramètres : des "essais et erreurs" au "contrôle précis"
La technologie des jumeaux numériques favorise la prédiction des paramètres
Siemens et Boeing ont travaillé ensemble pour créer une plate-forme jumelle numérique capable de montrer comment le champ de température, le champ de contrainte et la microstructure de l'alliage Ti6Al4V imprimé en 3D changent au cours du traitement HIP. Le système peut déterminer la meilleure méthode HIP (telle que 920 degrés/140 MPa/2 h) en prenant en compte des éléments tels que la porosité de départ et la taille des grains. Cela peut permettre aux pièces de durer trois fois plus longtemps et de réduire de moitié le nombre de tests.
Inversion de paramètres à l'aide de l'apprentissage automatique
GE Aviation utilise des techniques d'apprentissage automatique pour examiner 100 000 ensembles de données de traitement thermique et créer un modèle de cartographie des « performances du taux de refroidissement en température et en temps ». Ce modèle peut déterminer les paramètres de processus qui répondront à certains besoins de performances. Lorsque l'alliage IN718 doit conserver une durée de vie de fluage de 1 000 heures à 650 degrés, par exemple, le système suggère un schéma de processus de 1 080 degrés/1 h de solution solide +720 degré/8 h de vieillissement. La durée de vie mesurée au fluage est de 1 200 heures.
5. Etude de cas d'une industrie : passer du laboratoire à l'usine
Le domaine de l'aérospatiale
Pour améliorer l'impression 3D de disques de turbine en alliage à haute température-à base de nickel-, Rolls Royce adopte le traitement HIP. Les pièces traitées avec HIP ont une durée de vie de 173 heures à une température élevée de 1 400 degrés, soit plus que les 50 heures nécessaires pour les composants essentiels des moteurs GE9X.
Domaine des implants médicaux
Après 950 degrés pendant 4 heures de traitement HIP sur l'implant d'articulation de hanche Ti6Al4V imprimé en 3D par Johnson&Johnson, sa résistance à la fatigue maximale a atteint 550 MPa (107 cycles), ce qui est identique à l'état recuit forgé. Simultanément, la rugosité de surface Ra<0.01 μm satisfied the biocompatibility criteria.