บทนำ: เหตุใดชิ้นส่วนส่วนร้อนจึงต้องใช้การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ
ชิ้นส่วนส่วนร้อนของเครื่องยนต์อากาศยานทำงานที่อุณหภูมิสูง มีรูปทรงซับซ้อน ผลิตเป็นล็อตเล็ก และต้องส่งมอบอย่างเร่งด่วน กระบวนการดั้งเดิมตั้งแต่ชิ้นงานตีขึ้นรูปจนถึงชิ้นงานสำเร็จมีอัตราการใช้วัสดุเพียงประมาณ 15% ถึง 20% ทำให้อัลลอยราคาแพงจำนวนมากถูกตัดเฉือนกลายเป็นเศษ Inconel 718 มีค่าความแข็งแรงครากสูงและเกิดการแข็งตัวจากการแปรรูปอย่างรุนแรง ทำให้เครื่องมือตัดสึกหรอเร็วและใช้เวลาต่อชิ้นสูง SLM (การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกพื้นที่) ใช้การหลอมพอกทีละชั้น ช่วยเพิ่มอัตราการใช้วัสดุเป็นมากกว่า 60% และยังสามารถขึ้นรูปช่องทางหล่อเย็นตามรูปทรงและโครงสร้างน้ำหนักเบาแบบบูรณาการได้ จึงเป็นแนวทางที่เหมาะสมสำหรับการลดน้ำหนักและการพัฒนาอย่างรวดเร็วของชิ้นส่วนส่วนร้อน
1. คุณลักษณะของผงคือจุดเริ่มต้นของกระบวนการ
Inconel 718 ไวต่อปริมาณออกซิเจนอย่างมาก แนะนำให้ใช้ผงทรงกลมที่ผลิตด้วยการทำให้เป็นละอองด้วยก๊าซ โดยมีการกระจายขนาดอนุภาค 15 ถึง 53 ไมโครเมตร ควบคุมปริมาณออกซิเจนให้ต่ำกว่า 300 ppm และมีความสามารถในการไหลตัว (อัตราการไหลแบบ Hall) ดีกว่า 18 วินาทีต่อ 50 กรัม สัดส่วนของไนโอเบียม โมลิบดีนัม และไทเทเนียมในผงมีผลโดยตรงต่อการตกตะกอนของเฟส Laves เมื่อการแยกตัวของไนโอเบียมเกินค่าขีดจำกัด จะเกิดยูเทคติกจุดหลอมเหลวต่ำบริเวณขอบเกรนได้ง่าย และกลายเป็นจุดกำเนิดของการแตกร้าวร้อน ก่อนนำเข้าห้องสร้างควรทำการร่อนคัดขนาด (แนะนำตะแกรง 53 ไมโครเมตร) ตรวจวัดความชื้นและความหนาแน่นแบบเทกอง พร้อมเก็บตัวอย่างสำหรับตรวจโลหะวิทยา
2. การเลือกสมดุลพารามิเตอร์ในหน้าต่างกระบวนการเลเซอร์
ชิ้นส่วนรับแรงในส่วนร้อนโดยทั่วไปใช้ชุดพารามิเตอร์กำลังเลเซอร์ 250 ถึง 400 วัตต์ ขนาดจุดเลเซอร์ 80 ถึง 120 ไมโครเมตร ความเร็วสแกน 800 ถึง 1200 มิลลิเมตรต่อวินาที และความหนาชั้น 30 ถึง 50 ไมโครเมตร แนะนำให้ควบคุมความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรไว้ที่ 55 ถึง 75 จูลต่อลูกบาศก์มิลลิเมตร หากพลังงานต่ำเกินไปจะทำให้เกิดการหลอมไม่ประสานและรูพรุนเพิ่มขึ้น หากสูงเกินไปจะเกิดการเผาเกิน การสูญเสียธาตุ และการกระเด็นรุนแรงขึ้น แนะนำให้ใช้กลยุทธ์การสแกนแบบหมุนระหว่างชั้น 67 ถึง 73 องศาร่วมกับการแบ่งโซนแบบกระดานหมากรุก เพื่อลดการสะสมความร้อนในทิศทางเดียว การอุ่นฐานรองถึง 80 ถึง 120 องศาเซลเซียสสามารถยับยั้งการแตกร้าวได้อย่างมีนัยสำคัญ
3. การควบคุมเชิงวิศวกรรมของการแตกร้าวร้อนและความเค้นตกค้าง
Inconel 718 มีแนวโน้มตกตะกอนเฟส Laves ตามขอบเกรนในช่วงท้ายของการแข็งตัว พร้อมเกิดรอยร้าวจุลภาค โดยเฉพาะบริเวณมุมและจุดเปลี่ยนความหนาอย่างฉับพลัน ในเชิงวิศวกรรมมี 3 วิธีรับมือ ได้แก่ หนึ่ง เพิ่มความเร็วสแกนและลดพลังงานต่อชั้นเพื่อลดความชันความร้อนของบ่อหลอม สอง สำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่ให้ใช้อุ่นฐานรองแบบไล่ระดับและทำให้เย็นลงอย่างช้า ๆ สาม หลังขึ้นรูปให้ทำการอบละลาย (980 ถึง 1020 องศาเซลเซียส) ร่วมกับการอบชุบเพิ่มความแข็งแบบสองขั้น (720 และ 620 องศาเซลเซียส) เพื่อให้เฟส Laves กลับละลาย เฟสเสริมความแข็งแรงตกตะกอนอย่างสม่ำเสมอ และปลดปล่อยความเค้นตกค้างได้มากกว่า 80% การแยกชิ้นงานด้วยตัดลวดหลังลดความเค้นแล้วมีความเสถียรกว่าการชุบเย็นโดยตรง
4. การปรับสภาพหลังผลิตและเสถียรภาพของมิติ
การกำจัดซัพพอร์ตควรใช้การตัดลวดหรือ EDM เป็นอันดับแรก เพื่อหลีกเลี่ยงแรงกระแทกเชิงกลที่อาจทำให้เกิดรอยร้าวจุลภาค ผิวชิ้นงานใช้การพ่นทรายร่วมกับการขัดเงาเพื่อควบคุมค่า Ra ให้อยู่ภายใน 3.2 ไมโครเมตร ข้อบกพร่องภายในตรวจด้วย CT อุตสาหกรรม (ความละเอียดไม่เกิน 20 ไมโครเมตร) และการสุ่มตรวจโลหะวิทยา โดยกำหนดให้อัตรารูพรุนเชิงปริมาตรต่ำกว่า 0.5% และขนาดรูพรุนข้อบกพร่องสูงสุดน้อยกว่า 200 ไมโครเมตร สำหรับช่องทางไหลที่รับแรงยังต้องทำการตรวจด้วยสารแทรกซึมเรืองแสงและการทดสอบรั่วด้วยแรงดัน
5. การรับรองคุณภาพตั้งแต่ชิ้นงานตัวอย่างจนถึงการติดตั้งใช้งาน
ชิ้นส่วนส่วนร้อนต้องผ่านการยืนยันด้วยเมทริกซ์สมบัติเชิงกล ได้แก่ ค่าความต้านทานแรงดึง ความแข็งแรงคราก และการยืดตัวที่อุณหภูมิห้องและที่ 650 องศาเซลเซียส รวมถึงความแข็งแรงทนทาน 100 ชั่วโมงที่ 650 องศาเซลเซียส โครงสร้างจุลภาคต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของการเสริมความแข็งแรงแบบสองเฟส สำหรับชิ้นส่วนสำคัญต้องดำเนินการรับรองชิ้นแรกและความสามารถของกระบวนการ (CPK ไม่น้อยกว่า 1.33) พร้อมสร้างห่วงโซ่การตรวจสอบย้อนกลับที่ครบถ้วนของล็อตผง พารามิเตอร์กระบวนการ ภาพ CT และผลการทดสอบเชิงกล จึงจะเข้าสู่การตรวจยืนยันการติดตั้งใช้งานแบบล็อตเล็กได้
สรุป
SLM ของ Inconel 718 ไม่ใช่เพียงการหลอมผงให้เสร็จ แต่เป็นวิศวกรรมระบบตั้งแต่การควบคุมคุณภาพผง หน้าต่างพารามิเตอร์ การอบชุบลดความเค้น ไปจนถึงการรับรองเพื่อการติดตั้งใช้งาน การจับประเด็นหลักสองเส้นคือเฟส Laves และความเค้นตกค้างให้ได้ จึงจะสามารถผลักดันการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุสำหรับชิ้นส่วนส่วนร้อนของเครื่องยนต์อากาศยานจากระดับ “พิมพ์ได้” ไปสู่ระดับ “กล้าติดตั้งใช้งาน”
ส่งโมเดล แบบแปลน รูปภาพ หรือบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษร วิศวกรจะตรวจสอบวัสดุ กระบวนการ การตกแต่ง และการส่งมอบตามการใช้งานจริง