پودر آلیاژ فولاد ضد زنگ 17-4PH برای چاپ سه بعدی

17-4PH (که با نام UNS S17400 یا Grade 630 نیز شناخته می‌شود) یک فولاد ضد زنگ مارتنزیتی سخت‌شونده با رسوب است. این یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین پودرهای فلزی در تولید افزودنی (AM) به دلیل ترکیب منحصربه‌فرد خود از استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی خوب و مناسب بودن برای عملیات حرارتی است.

1. ویژگی‌های کلیدی و ترکیب شیمیایی

نوع آلیاژ:فولاد ضد زنگ مارتنزیتی سخت‌شونده با رسوب.

ترکیب کلیدی:

• کروم (Cr): ~15-17.5٪ (مقاومت در برابر خوردگی را فراهم می‌کند)
• نیکل (Ni): ~3-5٪ (چقرمگی را فراهم می‌کند و به سخت‌شدن رسوبی کمک می‌کند)
• مس (Cu): ~3-5٪ (عنصر کلیدی که رسوبات تقویت‌کننده را تشکیل می‌دهد)
• نیوبیم (Nb) / کلومبیم (Cb): ~0.15-0.45٪ (کاربیدهای پایدار را تشکیل می‌دهد و به استحکام کمک می‌کند)
• کربن (C): کم (<0.07%) برای اطمینان از جوش‌پذیری خوب و مقاومت در برابر خوردگی.

ویژگی تعیین‌کننده:خواص آن در حالت «چاپ‌شده» به طور کامل محقق نمی‌شود. آنها از طریق یک چرخه عملیات حرارتی خاص (پیری) پس از چاپ توسعه می‌یابند.

2. ویژگی‌های پودر برای چاپ سه‌بعدی (L-PBF)

برای همجوشی بستر پودر لیزری (L-PBF)، پودر باید الزامات سختگیرانه‌ای را برآورده کند:

• ریخت‌شناسی:کاملاً کروی. این برای اطمینان از سیالیت عالی برای ایجاد لایه‌های پودری صاف و نازک غیرقابل مذاکره است.
• توزیع اندازه ذرات (PSD):محدوده معمولی 15-45 میکرومتر یا 20-53 میکرومتر است. این توزیع ریز و با دقت کنترل شده امکان چاپ با وضوح بالا و قطعات متراکم را فراهم می‌کند.
• سیالیت:عالی (به عنوان مثال، جریان هال < 30 ثانیه/50 گرم). برای پوشش مجدد مداوم و پایداری فرآیند حیاتی است.
• محتوای اکسیژن کم:معمولاً < 500 ppm. از طریق اتمیزاسیون گاز (اغلب VIGA یا EIGA) برای جلوگیری از شکنندگی و اطمینان از خواص مکانیکی خوب به دست می‌آید.

3. گردش کار چاپ سه‌بعدی و عملیات حرارتی

مزیت واقعی 17-4PH پس از پردازش باز می‌شود:

• چاپ (L-PBF): قطعه لایه به لایه ساخته می‌شود. انجماد سریع یک ریزساختار مارتنزیتی نسبتاً نرم، انعطاف‌پذیر و فوق اشباع ایجاد می‌کند (شرایط A).
• تسکین تنش (اختیاری اما توصیه می‌شود): برای کاهش تنش‌های داخلی ناشی از فرآیند چاپ.
• عملیات محلول (شرایط A): قطعه تا دمای بالا (~1038 درجه سانتی‌گراد / 1900 درجه فارنهایت) گرم می‌شود و سپس به سرعت خنک می‌شود. این یک ساختار مارتنزیتی نرم و کم کربن تولید می‌کند که برای ماشین‌کاری ایده‌آل است.
• سخت‌شدن رسوبی (پیری): این گام حیاتی است. قطعه در دمای خاصی (به عنوان مثال، H900: 482 درجه سانتی‌گراد / 900 درجه فارنهایت به مدت 1 ساعت) پیر می‌شود. در طی این فرآیند، مس و سایر عناصر از ماتریس رسوب می‌کنند و باعث ایجاد کرنش داخلی عظیم و افزایش چشمگیر استحکام و سختی می‌شوند.
  • شرایط H900: بالاترین استحکام را به دست می‌آورد.
  • شرایط H1025، H1150: در دماهای بالاتر پیر می‌شوند که منجر به استحکام کمتر اما چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی بیشتر می‌شود.

4. خواص مکانیکی: چاپ‌شده در حالت اولیه در مقابل عملیات حرارتی

تبدیل چشمگیر است:

نکته کلیدی: 17-4PH چاپ‌شده سه‌بعدی و به درستی عملیات حرارتی شده می‌تواند خواص مکانیکی را به دست آورد که با همتای آهنگری شده (ساخته‌شده سنتی) آن قابل مقایسه است و گاهی از آن فراتر می‌رود.

5. مزایای تولید افزودنی

• نسبت استحکام به وزن بالا: ایده‌آل برای اجزای سبک وزن و از نظر ساختاری نیازمند.
• ماشین‌کاری عالی در حالت عملیات محلول: امکان ماشین‌کاری آسان پس از چاپ با تلرانس‌های دقیق قبل از پیری نهایی را فراهم می‌کند.
• مقاومت در برابر خوردگی خوب: در حالی که در همه محیط‌ها به اندازه 316L در برابر خوردگی مقاوم نیست، به ویژه در شرایط بیش از حد پیر (H1150) در محیط‌های خورنده ملایم مانند اتمسفر دریایی عملکرد خوبی دارد.
• پایداری ابعادی در طول پیری: عملیات حرارتی در مقایسه با کوئنچ و تمپر کردن سایر فولادها باعث حداقل اعوجاج می‌شود که برای هندسه‌های پیچیده AM بسیار مهم است.

6. کاربردها

17-4PH ماده انتخابی برای اجزای کاربردی با استحکام بالا در سراسر صنایع است:

• هوافضا: براکت‌ها، پایه‌های موتور، اجزای پهپاد و سخت‌افزار پرواز.
• دفاع: اجزای سلاح گرم (گیرنده‌ها، ماشه‌ها)، قطعات هدایت موشک.
• صنعتی: پروانه‌ها، پره‌های توربین، شیرهای فشار قوی و اجزای پمپ.
• پزشکی: فک‌های ابزار جراحی، مته‌های دندانپزشکی و ابزارهای غیرقابل کاشت که به استحکام بالا و مقاومت در برابر استریل‌سازی نیاز دارند.
• خودرو: اجزای مسابقه‌ای با عملکرد بالا.

مقایسه: 17-4PH در مقابل 316L برای چاپ سه‌بعدی

نتیجه‌گیری

پودر آلیاژ کروی 17-4PH یک ماده سنگ بنا برای چاپ سه‌بعدی صنعتی است. این به طراحان اجازه می‌دهد تا از آزادی هندسی AM برای ایجاد قطعات پیچیده و سبک وزن استفاده کنند که می‌توانند تحت عملیات حرارتی قرار گیرند تا به سطوح استحکامی برسند که با فولادهای با استحکام بالا رقابت می‌کنند. پاسخ قابل پیش‌بینی آن به پس از پردازش، آن را به یک انتخاب قابل اعتماد و قدرتمند برای کاربردهای مهندسی سخت در سراسر بخش‌های هوافضا، دفاع و خودرو تبدیل می‌کند.