Khi ai đó nói 'các loại luyện kim bột', hầu hết mọi người đều nghĩ ngay đến phương pháp ép và thiêu kết cổ điển. Chắc chắn đó là công việc cần thiết, nhưng nó chỉ là bước khởi đầu. Cuộc trò chuyện thực sự bắt đầu khi bạn hỏi: công việc cuối cùng của phần này là gì? Đây là một ống lót đơn giản, ít ứng suất hay là một bộ phận của tuabin chịu nhiệt độ cao và lực quay? Sự khác biệt đó sẽ đưa bạn từ nhánh này của công nghệ này sang nhánh khác hoàn toàn. Tôi đã thấy quá nhiều thiết kế được đưa ra trong đó kỹ sư chỉ định loại vật liệu nhưng chưa hoàn toàn giải quyết được các tác động của quy trình sản xuất đối với tuổi thọ mỏi hoặc độ ổn định kích thước. Khoảng cách giữa mô hình CAD và thực tế thiêu kết chính là nơi tồn tại của các loại luyện kim bột thực sự.
Nhấn và thiêu kết: Đường cơ sở và các giới hạn vô hình của nó
Hãy bắt đầu với cái phổ biến. Bạn lấy bột kim loại, thường là hỗn hợp gốc sắt với một ít đồng, niken và than chì được hợp kim hóa trước hoặc trộn vào, nén nó trong khuôn cứng ở nhiệt độ phòng, sau đó nung trong lò khí quyển được kiểm soát. Các liên kết hình thành thông qua khuếch tán trạng thái rắn. Nó cực kỳ hiệu quả cho việc tạo hình khối lượng lớn. Bánh răng, bánh răng, bộ phận kết cấu trong các thiết bị—vô số ví dụ.
Nhưng đây là điều mà mọi người đều chú ý: mật độ. Máy ép và thiêu kết thông thường thường đạt khoảng 92-95% mật độ lý thuyết. Độ xốp còn sót lại đó tốt cho nhiều ứng dụng, nhưng nó giết chết các đặc tính động. Đường cong độ bền mỏi bị san phẳng sớm một cách đáng thất vọng. Tôi nhớ lại một dự án về thiết bị bơm thủy lực trong đó các nguyên mẫu ban đầu từ một cửa hàng P/M tiêu chuẩn đã thất bại sớm hơn nhiều so với thép rèn tương đương trong thử nghiệm độ bền. Nguyên nhân sâu xa không phải là chất hóa học vật chất; chính những lỗ chân lông cực nhỏ đó đóng vai trò là nơi tập trung ứng suất. Chúng tôi đã phải thay đổi suy nghĩ của mình.
Đây là nơi mà hệ thống hợp kim và chất bôi trơn vô cùng quan trọng. FN-0205 (sắt với 2% niken và 0,5% than chì) sẽ hoạt động rất khác so với FC-0208 (với 2% đồng) trong quá trình thiêu kết, ảnh hưởng đến sự thay đổi kích thước và độ bền cuối cùng. Và điểm sương của bầu không khí lò của bạn? Quan trọng đối với việc khử oxit, đặc biệt là với các nguyên tố như crom hoặc mangan. Nếu hiểu sai thì bạn sẽ có một phần dễ gãy. Đó không chỉ là một quá trình; đó là một thí nghiệm hóa học dưới nhiệt độ.
Khi mật độ là không thể thương lượng: Đúc phun kim loại và hơn thế nữa
Vì vậy, điều gì sẽ xảy ra nếu bạn cần mật độ gần như đầy đủ và hình dạng phức tạp mà việc gia công từ phôi thanh sẽ lãng phí 80% vật liệu? Đó là lãnh địa của Đúc phun kim loại (MIM). Bạn trộn bột hình cầu rất mịn với chất kết dính polymer, ép khuôn giống như nhựa, sau đó cẩn thận loại bỏ chất kết dính (gỡ) trước khi thiêu kết. Bộ phận này co lại rất nhiều—khoảng 15-20%—nhưng đồng đều nếu nguyên liệu thô của bạn đồng nhất. Bạn đạt được mật độ trên 98%, thường là gần 99%.
Vẻ đẹp của MIM nằm ở các chi tiết như đường ren bên trong, đường cắt và các bức tường mỏng. Chúng tôi sử dụng nó cho bộ phận dụng cụ phẫu thuật, bộ phận 17-4 PH bằng thép không gỉ có cơ chế chốt phức tạp. Gia công nó là một cơn ác mộng về đồ đạc và dụng cụ bị gãy. MIM đã biến nó thành một mảnh duy nhất được thiêu kết. Nhưng ma quỷ đang trong quá trình gỡ băng. Nếu chất kết dính không được loại bỏ đều, bạn sẽ bị nứt hoặc phồng rộp. Đó là một chu trình nhiệt chậm và tinh vi, không phải là một hoạt động mạnh mẽ.
Điều này kết nối với một chi nhánh khác: Ép đẳng tĩnh nóng (HIP). Đôi khi bạn sử dụng riêng nó cùng với bột đựng trong hộp (hộp đựng HIPing), nhưng thường xuyên hơn, đó là quy trình thứ cấp để đóng phần xốp còn sót lại trong bộ phận thiêu kết. Chúng tôi sẽ lấy các thân van quan trọng được chế tạo thông qua quá trình ép và thiêu kết và đưa chúng qua chu trình HIP—áp suất argon cao ở nhiệt độ cao. Nó ép chặt các lỗ chân lông bên trong lại, cải thiện đáng kể độ dẻo và tính toàn vẹn của áp suất. Nó làm tăng thêm chi phí, nhưng đối với các thành phần dầu khí, đó là tấm vé để đạt được tiêu chuẩn.
Con đường rèn: Rèn bột và vị trí thích hợp của nó
Sau đó là rèn bột. Bạn tạo khuôn bằng cách ép thông thường, sau đó lấy khuôn đã thiêu kết (hoặc đôi khi không được kết dính) đó và rèn nóng trong khuôn đóng. Điều này đạt được mật độ đầy đủ và tính chất cơ học tuyệt vời, gần với vật rèn. Năng suất vật chất là tuyệt vời. Đây là giải pháp phù hợp cho các bộ phận ô tô có độ bền cao như thanh kết nối.
Nhưng chi phí cho dụng cụ là rất lớn và bạn cần số lượng lớn để bù đắp cho điều đó. Việc quản lý nhiệt rất phức tạp—đưa phôi đến nhiệt độ phù hợp một cách đồng đều để rèn mà không bị cặn hoặc khử cacbon. Tôi đã từng chứng kiến những thử nghiệm trong đó việc thiết kế khuôn phôi không phù hợp dẫn đến việc rèn các nếp gấp (vòng), một khiếm khuyết nghiêm trọng ở bộ phận động. Đó là một loại luyện kim bột mạnh mẽ, nhưng nó đòi hỏi sự tôn trọng đối với nghề rèn cũng như khoa học về bột.
Sản xuất bồi đắp: Biên giới mới trong gia đình
Bạn không thể nói về các loại ngày nay mà không đề cập đến sản xuất bồi đắp, hoặc Sự kết hợp giường bột. Nóng chảy bằng Laser chọn lọc (SLM), Nóng chảy bằng chùm tia điện tử (EBM). Đây là luyện kim bột theo nghĩa đen nhất của nó: xây dựng từng lớp một bằng cách nấu chảy hoàn toàn bột bằng nguồn năng lượng tập trung. Mật độ có thể là 99,9%+ nếu tham số được nhập.
Sự tự do mang tính cách mạng, nhưng bề ngoài và căng thẳng bên trong là sự đánh đổi. Bề mặt khi in có độ nhám đặc trưng do các hạt bột tan chảy một phần, gây ra hiện tượng mỏi nếu không được xử lý. Và ứng suất dư do quá trình gia nhiệt và làm mát nhanh đòi hỏi phải có quá trình giảm ứng suất hoặc chu trình ép đẳng tĩnh nóng. Chúng tôi đã đánh giá nó cho một thiết kế cánh quạt tùy chỉnh, khối lượng thấp tại Qingdao Qiangsenyuan. Hình dạng là hoàn hảo cho nó, nhưng để có được tính toàn vẹn bề mặt cần thiết và chi phí cho mỗi bộ phận ở khối lượng của chúng tôi, cuối cùng chúng tôi đã tiến hành đúc đầu tư cho lần chạy nguyên mẫu. AM là công cụ hoàn hảo, nhưng đối với công việc cụ thể đó, nó không phải là công cụ phù hợp. Đó là một sự khác biệt quan trọng.
Nơi giao nhau của các con đường đúc và luyện kim bột
Điều này đưa tôi đến một tiếp tuyến có liên quan. Tại Công ty TNHH Công nghệ Qingdao Qiangsenyuan (QSY), với hàng thập kỷ đúc kết và đầu tư, cuộc trò chuyện thường chuyển sang hiệu quả vật chất. Khi khách hàng cần một bộ phận trong siêu hợp kim gốc niken cho dịch vụ nhiệt độ cao, việc lựa chọn giữa đúc mẫu chảy và luyện kim bột như HIP trở thành trọng tâm. Vật đúc có thể xử lý các hình dạng lớn, phức tạp một cách đẹp mắt, nhưng cấu trúc hạt và khả năng có độ xốp vi mô là những hạn chế. Bột HIPing mang lại cho bạn một cấu trúc vi mô mịn, đồng nhất, về cơ bản là các đặc tính đẳng hướng. Quyết định xoay quanh quy mô, độ phức tạp, yêu cầu về tài sản và quy mô lô hàng. Đôi khi, giải pháp tốt nhất là kết hợp: sử dụng phôi đúc và sau đó phủ một lớp phủ có nguồn gốc từ bột thông qua phun nhiệt để chống mài mòn. Vấn đề không phải là một người trở nên tốt hơn; đó là về sự kết hợp đúng đắn của các quy trình.
Yếu tố bị bỏ qua: Bản thân bột
Tất cả các loại này đều phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu: bột. Quá trình nguyên tử hóa khí, nguyên tử hóa nước, điện cực quay plasma (PREP)—phương pháp sản xuất xác định hình dạng hạt, phân bố kích thước và cấu trúc vi mô bên trong. Đối với MIM, bạn cần những hạt hình cầu mịn để có dòng chảy và khả năng đóng gói tốt. Đối với cách ép thông thường, các hạt nguyên tử nước, không đều, liên kết với nhau tốt hơn để có độ bền xanh. Nếu bạn đang làm việc với các hợp kim phản ứng như titan hoặc các hợp kim đặc biệt trong danh sách QSY (gốc coban, niken), việc xử lý bột trong môi trường trơ là không thể thương lượng. Việc thu gom oxy là kẻ giết người thầm lặng của độ dẻo.
Tôi đã học được điều này một cách khó khăn từ rất sớm. Một mẻ bột không gỉ 316L dành cho MIM có độ ẩm cao hơn một chút so với thông số kỹ thuật. Nó gây ra sự phân tách chất kết dính-bột trong quá trình đúc, dẫn đến các khoảng trống chỉ xuất hiện sau khi thiêu kết. Toàn bộ lô hàng là phế liệu. Bột là nền tảng. Một lỗ hổng ở đó không thể sửa được ở hạ lưu.
Vì vậy, khi tôi nghĩ về 'các loại luyện kim bột', tôi thực sự đang nghĩ về cây quyết định. Bắt đầu với chức năng của bộ phận, các yêu cầu về đặc tính, hình dạng của nó và chi phí chấp nhận được. Con đường đó dẫn bạn đến loại bột phù hợp và phương pháp củng cố phù hợp. Nó không bao giờ chỉ là một danh sách các lựa chọn; đó là một loạt sự đánh đổi về mặt kỹ thuật và kinh tế, với bóng ma của lỗ hổng ẩn nấp đằng sau mọi lựa chọn. Mục tiêu là chọn quá trình làm cho bóng ma đó biến mất, hoặc ít nhất là làm cho nó trở nên vô hại đối với vòng đời dự kiến của bộ phận đó.
