Abrasive Flow Machining of Additively Manufactured Inconel 718 Conformal Cooling Channels: Effects on Surface Integrity and Tribological Performance

Stel je een wereld voor waarin complexe metalen onderdelen niet uit een massief blok worden gesneden, maar laag voor laag worden opgebouwd, zoals een 3D-printer die gesmolten metaal stapelt. Deze methode, bekend als additive manufacturing (toevoegende fabricage), stelt ingenieurs in staat om vormen te creëren die voorheen onmogelijk te maken waren, zoals ingewikkelde interne tunnels voor koelsystemen in straalmotoren of hoogwaardige mallen. Deze vrijheid heeft echter een prijs. Omdat het metaal wordt gevormd door het smelten van minuscule poederdeeltjes, zijn de binnenwanden van deze tunnels vaak ruw en gepit, bedekt met kleine, niet-gesmolten metaalsplinters. In een glad, stromend systeem werken deze ruwe plekken als drempels, die de vloeistof die erdoorheen beweegt verstoren en turbulentie veroorzaken. Om deze geavanceerde onderdelen te laten werken, moet de ruwe binnenkant glad worden gemaakt, maar traditionele gereedschappen zoals boren of borstels kunnen niet de binnenkant van deze kronkelende, verborgen kanalen bereiken.

Onderzoekers hebben een slimme oplossing gevonden genaamd abrasive flow machining (schurende stroombewerking). In plaats van een star gereedschap, gebruikt dit proces een dikke, tandpasta-achtige pasta gevuld met minuscule, harde zandkorrels. Deze pasta wordt onder hoge druk heen en weer door de interne kanalen van het metalen onderdeel geperst. Terwijl de pasta erdoorheen wordt geperst, schrapen de harde korrels tegen de wanden, waardoor ze glad worden gepolijst zonder dat er een menselijke hand nodig is om een gereedschap in het gat vast te houden. Een team van ingenieurs heeft deze techniek onlangs getest op een specif kind specifiek, hoogwaardig metaal genaamd Inconel 718, dat vaak wordt gebruikt in extreme omgevingen zoals de luchtvaart. Ze wilden precies weten hoe ze het proces konden afstemmen voor de beste resultaten zonder het onderdeel te beschadigen, en of de interne sterkte van het metaal de polijsting zou overleven.

Het team begon met metalen coupons, kleine blokken met een recht gat, vervaardigd met een laser om het metaalpoeder te smelten. Vervolgens onderwierpen ze deze blokken aan de schurende pasta en varieerden ze drie hoofdfactoren: de dikte van de pasta, het aantal keren dat de pasta door het gat werd geduwd, en de grofheid van de zandkorrels. Ze testten verschillende concentraties van de schurende pasta, variërend van een dunnere mengeling tot een zeer dikke, en voerden het proces uit van enkele passes tot tachtig passes. Ze vergeleken ook onderdelen die rechtstreeks uit de fabricagemachine kwamen met onderdelen die in een oven waren verhit om de interne structuur te veranderen, een stap die vaak wordt ondernomen om het metaal sterker te maken.

De resultaten waren opmerkelijk. Het abrasive flow-proces was ongelooflijk effectief bij het reinigen van het oppervlak. In de beste gevallen verwijderde het proces bijna alle niet-gesmolten metaalsplinters die het oppervlak ruw maakten, waardoor de ruwheid van de kanaalwanden met negentigentachtig procent verminderde. Deze transformatie veranderde een grillig, ongelijkmatig oppervlak in een oppervlak dat net zo glad was als een conventioneel gepolijste metalen buis. De onderzoekers ontdekten echter dat het simpelweg langer draaien van het proces niet altijd beter was. Als de pasta te dun was, ontwikkelde het oppervlak naarmate het proces voortduurde een golvend, gerimpeld textuur, wat het oppervlak feitelijk weer ruwer maakte. De sleutel tot succes was het gebruik van een dikke, geconcentreerde pasta. Wanneer de pasta dik genoeg was, werd het oppervlak bij elke pass gladder, en de onderzoekers ontdekten dat het tachtig keer doorlopen met deze dikke pasta de gladste, meest uniforme afwerking produceerde.

Het type zandkorrel maakte ook uit, maar niet op de manier die men zou verwachten. Grovere korrels verwijderden materiaal sneller, wat nuttig is als u snel een grote hoeveelheid metaal wilt afschaven. Echter, deze grotere korrels lieten diepere krassen achter op het oppervlak. Fijnere korrels hadden langer nodig om het oppervlak glad te maken, maar lieten een veel schonere afwerking achter met minder diepe markeringen. De studie toonde aan dat hoewel de grovere korrels de klus in minder passes konden klaren, de fijnere korrels beter waren voor het bereiken van een hoogwaardige afwerking zonder te veel van de oorspronkelijke afmetingen van het onderdeel te verwijderen. Dit is cruciaal omdat als het kanaal te breed wordt, dit de manier waarop de koelvloeistof stroomt kan veranderen, wat het doel van het ontwerp tenietdoet.

Misschien wel het belangrijkste is dat de onderzoekers controleerden of dit agressieve polijsten het metaal eronder had beschadigd. Ze maten de hardheid van het metaal op verschillende dieptes onder het oppervlak en vonden dat het proces de materiaaleigenschappen niet verzwakte. De interne structuur van het metaal bleef intact, en de hardheid veranderde niet significant, zelfs niet na tachtig passes. Dit betekent dat het onderdeel niet alleen gladder is aan de buitenkant, maar ook even sterk is aan de binnenkant. Ze testten ook hoe de gepolijste oppervlakken zich gedroegen wanneer ze tegen een ander materiaal werden gewreven, een test voor slijtage en wrijving. De onderdelen die waren gepolijst met de dikke pasta en veel passes vertoonden de laagste wrijving, wat betekent dat ze gemakkelijker langs andere oppervlakken zouden glijden en minder snel zouden slijten.

De studie keek ook naar wat er gebeurde als het metaal vóór het polijsten werd verhit. De warmtebehandeling veranderde de eigenschappen van het metaal, waardoor het iets zachter werd, maar het polijstproces werkte net zo goed op deze warmtebehandelde onderdelen als op de onbehandelde. Sterker nog, de warmtebehandelde onderdelen eindigden met een iets gladder oppervlak na het polijsten vergeleken met de onbehandelde exemplaren. Dit suggereert dat de volgorde van handelingen — of u het metaal eerst verhit of eerst polijst — kan worden aangepast op basis van de specifieke behoeften van het onderdeel zonder de voordelen van het gladmakingsproces te verliezen.

Door de dikte van de polijstpasta, de grootte van de schurende korrels en het aantal keren dat de pasta erdoorheen wordt geduwd zorgvuldig in evenwicht te brengen, kunnen ingenieurs nu betrouwbaar de binnenkant van complexe metalen kanalen gladmaken. Dit onderzoek bevestigt dat abrasive flow machining niet alleen een manier is om een oppervlak er beter uit te laten zien; het is een manier om te garanderen dat het onderdeel zijn werk correct uitvoert. Voor industrieën die vertrouwen op deze ingewikkelde koelsystemen, opent het vermogen om de binnenkant van een kanaal glad te maken zonder het metaal te beschadigen of de afmetingen te veranderen, de deur naar meer efficiënte, langer houdende en hoogwaardiger presterende machines. Het werk bewijst dat met de juiste instellingen, deze techniek een ruw, 3D-geprint kanaal kan veranderen in een precisiecomponent die klaar is voor de meest veeleisende toepassingen.