Kiểm soát ứng suất dư và tối ưu ủ nhiệt trong in 3D kim loại SLM: phương pháp kỹ thuật từ ứng suất giữa lớp đến ổn định kích thước

Mở đầu: Vì sao in 3D kim loại “in được nhưng khó bàn giao”

Trong in 3D kim loại SLM, công suất laser thường nằm trong khoảng 200–400 W, đường kính điểm hội tụ khoảng 80–120 μm, nhiệt độ bể nóng chảy có thể vượt 1600°C, trong khi nhiệt độ lớp bột xung quanh chỉ khoảng 80–120°C. Gradient nhiệt cục bộ rất lớn, có thể đạt 10⁵–10⁶ K/m, khiến đường nóng chảy trải qua quá trình nóng chảy - đông đặc - làm nguội chỉ trong mili giây. Vật liệu giãn nở rồi co lại, tạo ra ứng suất kéo - nén luân phiên giữa các lớp và giữa các đường quét. Khi ứng suất dư tích lũy vượt quá giới hạn chảy của vật liệu hoặc độ bền liên kết giữa lớp, các vấn đề như cong vênh bàn nền, nứt chi tiết, mép bị vểnh, trôi kích thước sẽ xuất hiện. Nhiều doanh nghiệp có thể “in ra được”, nhưng lại gặp khó ở khâu “in chính xác, ổn định và bàn giao được”; nguyên nhân cốt lõi thường là ứng suất dư không được kiểm soát.

1. Ba nguồn gốc chính của ứng suất dư và cách nhận diện

Ứng suất dư trong SLM chủ yếu đến từ ba cơ chế: ứng suất do gradient nhiệt do bể nóng chảy nguội nhanh và co ngót bị hạn chế, ứng suất do chuyển biến pha như chuyển biến martensite kèm thay đổi thể tích, và phản lực ràng buộc từ support do support và bàn nền cản trở co ngót tự do. Với Ti6Al4V, ứng suất dư ở trạng thái chưa xử lý thường có đỉnh trong khoảng 300–600 MPa. Đối với Inconel 718, 17-4PH và các hợp kim nền niken hoặc thép hóa già martensite, phân bố ứng suất thường không đồng đều hơn do đóng góp của chuyển biến pha. Trong thực tế kỹ thuật, nhiễu xạ tia X XRD hoặc nhiễu xạ neutron thường được dùng để lập bản đồ ứng suất bề mặt hoặc bên trong; phương pháp cắt mẫu kết hợp quét biên dạng cũng được dùng để suy ngược biến dạng. Thiết lập quan hệ “ứng suất - biến dạng” trên mẫu thử là tiền đề để kiểm soát.

2. Bốn phương pháp kiểm soát ứng suất trong quá trình in

1. Gia nhiệt bàn nền. Nâng nhiệt độ bàn nền từ nhiệt độ phòng lên 150–200°C, với hợp kim titan có thể khoảng 200°C, còn hợp kim nhôm cần kết hợp khí trơ và mức gia nhiệt phù hợp hơn, có thể giảm đáng kể gradient nhiệt tổng thể và giúp ứng suất dư giảm khoảng 20%–40%. Cần lưu ý nhiệt độ gia nhiệt bị giới hạn bởi ngưỡng oxy hóa của vật liệu; titan và nhôm phải được kiểm soát oxy nghiêm ngặt, thường yêu cầu hàm lượng oxy <0,1%.

2. Tối ưu chiến lược quét. Sử dụng quét đảo island/chessboard thay cho các đường quét dài một chiều giúp cắt đứt chuỗi ứng suất liên tục. Kết hợp xoay hướng quét giữa các lớp 67°–90° và quét xen kẽ hai chiều có thể cân bằng ứng suất theo các hướng. Tốc độ quét nên kiểm soát trong khoảng 700–1400 mm/s tùy vật liệu và chiều dày lớp; quá cao dễ gây thiếu nóng chảy, quá thấp làm nhiệt đầu vào quá lớn và có thể tăng ứng suất.

3. Phối hợp thông số và chiều dày lớp. Chiều dày lớp thường dùng là 20–60 μm. Lớp mỏng 30 μm có vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ nhưng năng suất thấp; lớp dày 60 μm có hiệu suất cao hơn nhưng ứng suất lớn hơn. Mật độ công suất laser, kích thước điểm laser và chiều dày lớp cần được phối hợp để mật độ năng lượng thể tích VED nằm trong cửa sổ phù hợp của vật liệu, ví dụ Ti6Al4V khoảng 40–80 J/mm³, nhằm tránh hai cực đoan là quá nhiệt và thiếu nóng chảy.

4. Thiết kế support và hình học. Với bề mặt nhô ra và thành mỏng, support không chỉ phục vụ tạo hình mà còn là đường dẫn giải phóng ứng suất. Sử dụng support dạng khối hoặc chuyển tiếp hình côn, kiểm soát góc nhô ≥35°–45°, đồng thời cố gắng bố trí các mặt phẳng lớn song song với bàn nền để rút ngắn khoảng vượt nhịp, có thể giảm đáng kể hiện tượng mép vểnh. Với chi tiết dạng vòng thành mỏng, bổ sung gân công nghệ rồi loại bỏ trong hậu xử lý là biện pháp hiệu quả để hạn chế biến dạng thành elip.

3. Hậu xử lý: cửa sổ công nghệ ủ, HIP và hóa già

Ủ khử ứng suất là quy trình tiêu chuẩn trước bàn giao đối với phần lớn chi tiết kim loại. Ti6Al4V thường được ủ trong khoảng 530–650°C, giữ nhiệt 1–4 giờ ở vùng gần beta hoặc alpha + beta, giúp giải phóng 40%–70% ứng suất dư mà không làm thô tổ chức quá đáng kể. 17-4PH thường được khử ứng suất ở khoảng 480–620°C. Cần lưu ý rằng ủ có thể làm mất một phần độ bền cao ở trạng thái in, vì vậy cần dự phòng biên độ bền ngay từ giai đoạn thiết kế.

Ép đẳng tĩnh nóng HIP ở 920–1120°C, áp suất khí trơ 100–200 MPa trong 1–4 giờ có thể đóng kín lỗ rỗng bên trong, nâng mật độ đặc lên trên 99,5% và đồng thời loại bỏ phần lớn ứng suất dư. Đây là công đoạn quan trọng đối với chi tiết chịu tải trong hàng không vũ trụ, nhưng có thể gây thay đổi kích thước khoảng 2%–5%, do đó cần chừa lượng dư gia công.

Xử lý hóa già áp dụng cho hợp kim tăng bền kết tủa. Inconel 718 thường hóa già ở khoảng 620–720°C để kết tủa pha γ'' nhằm tăng độ bền; hệ nhôm - magie như AlSi10Mg có thể tối ưu độ cứng bằng hóa già T6. Thứ tự chuỗi công nghệ rất quan trọng: thông thường HIP hoặc ủ khử ứng suất trước, sau đó mới hóa già tăng bền, nhằm tránh pha tăng bền phát triển quá mức trong giai đoạn nhiệt độ cao của quá trình khử ứng suất.

4. Xác minh ổn định kích thước và vòng khép kín bàn giao

Trong sản xuất kỹ thuật, nên thiết lập chuỗi kiểm tra kích thước bốn trạng thái: “sau in - sau ủ - sau gia công tinh - sau điều kiện sử dụng”. Sử dụng máy đo tọa độ CMM để so sánh với CAD và ghi nhận biến dạng tại các đặc tính quan trọng. Với chi tiết chịu tải, cần bổ sung đo lại sau khi ứng suất thư giãn, ví dụ để ở nhiệt độ phòng 72 giờ rồi đo lại, nhằm xác nhận không có trôi kích thước thứ cấp do rão. Trước khi bàn giao, nên kiểm tra mẫu ứng suất dư bằng XRD để xác nhận đã giảm xuống dưới ngưỡng mục tiêu, chẳng hạn <150 MPa, đồng thời lưu trữ đường cong ủ, thông số HIP và báo cáo kiểm tra để tạo vòng khép kín chất lượng có thể truy xuất.

Kết luận

Ứng suất dư trong in 3D kim loại SLM không phải là thứ cần “loại bỏ hoàn toàn”, mà phải “nhận biết được, kiểm soát được và giải phóng được”. Bằng cách sử dụng đồng thời bốn nhóm giải pháp gồm gia nhiệt bàn nền, chiến lược quét, phối hợp thông số và thiết kế support để hạn chế phát sinh ứng suất, sau đó áp dụng ủ/HIP/hóa già phù hợp với từng hệ vật liệu để giải phóng và tăng bền chính xác, cuối cùng xác nhận ổn định bằng chuỗi kiểm tra kích thước và lấy mẫu ứng suất, doanh nghiệp mới có thể đưa chi tiết kim loại từ mức “tạo hình được” đến “bàn giao kỹ thuật được”. lantu3D đã tích lũy các cửa sổ công nghệ ổn định trong in kiểm soát ứng suất và hậu xử lý cho chi tiết titan, hợp kim nhiệt độ cao, thép không gỉ và nhiều vật liệu kim loại khác, giúp khách hàng tránh rủi ro nứt và trôi kích thước ngay từ giai đoạn mẫu đầu tiên.