Czy istnieje znacząca różnica w wydajności metalowych części drukowanych w 3D przed i po obróbce cieplnej?

1. Mikrostruktura: zmiana jakości od wad do gęstości
Proces druku 3D w metalu polega na szybkim nagrzewaniu i schładzaniu materiału, co powoduje, że wewnątrz obiektów pojawia się wiele drobnych defektów. Na przykład w metodzie topienia laserowego złoża proszkowego (LPBF) jeziorko stopu szybko się ochładza, w wyniku czego powstają grube kryształy kolumnowe z dyslokacjami o dużej-gęstości i mikroporami na granicach ziaren. Wady te nie tylko zmniejszają gęstość materiału (zwykle 98–99,5%), ale także powodują powstawanie pęknięć, co powoduje, że części są słabsze pod względem właściwości mechanicznych.
Obróbka cieplna poprawia mikrostrukturę w następujący sposób:
Zagęszczanie: Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) działa w wysokiej temperaturze (zwykle 0,7-0,9-krotności temperatury topnienia materiału) i wysokim ciśnieniu (100–200 MPa), aby zamknąć wewnętrzne pory i mikropęknięcia części. Na przykład po obróbce HIP gęstość części ze stopów wysokotemperaturowych w pewnym silniku lotniczym wzrosła z 99,2% do 99,99%, a części mogły wytrzymać pięć razy dłużej, zanim się zepsują.
Rafinacja ziarna: Proces rekrystalizacji podczas wyżarzania może spowodować zmniejszenie rozmiaru ziarna. Na przykład wyżarzanie drukowanych części ze stopu aluminium w temperaturze 350 stopni przez 2 godziny zmniejsza wielkość ziaren ze 100 μm do 20 μm i zwiększa granicę plastyczności o 15%.
Kontrola zmiany fazy: podczas hartowania i odpuszczania stali można uzyskać strukturę dwufazową- składającą się z martenzytu i austenitu szczątkowego. Na przykład po hartowaniu w temperaturze 1050 stopni i odpuszczaniu w temperaturze 200 stopni twardość drukowanych części ze stali formy osiąga 58HRC i są one trzy razy bardziej odporne na zużycie niż części nieobrobione.
2, Właściwości mechaniczne: przejście z kruchego do mocnego
Obróbka cieplna jest bardzo ważna dla poprawy właściwości mechanicznych metalowych elementów drukowanych w 3D. Na przykład, jeśli spojrzymy na-stop wysokotemperaturowy GH4169, drukowane części mają nieco niższą wytrzymałość na rozciąganie i granicę plastyczności niż części kute, ale wydłużenie przy zerwaniu i-skurcz w przekroju poprzecznym są znacznie większe. Po rutynowej obróbce cieplnej (wyżarzanie odprężające i wyżarzanie homogenizujące) jego właściwości rozciągające w temperaturze pokojowej i wysokich temperaturach spełniają lub przekraczają normy dla kucia. Jego trwałość-w wysokich temperaturach jest również lepsza niż w przypadku części kutych.
Różnice w wydajności widoczne są w:
Zwiększenie wytrzymałości: Procedura hartowania powoduje utworzenie struktury martenzytycznej poprzez szybkie jej schładzanie, co znacznie utrudnia. Na przykład po hartowaniu wytrzymałość na rozciąganie drukowanych części wykonanych ze stopu wysokotemperaturowego-na bazie niklu- wzrasta z 460 MPa do 585 MPa.
Większa wytrzymałość: Hartowanie może pozbyć się stresu i sprawić, że wszystko będzie trudniejsze. Na przykład po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 550 stopni udarność wydrukowanej części wału napędowego samochodu wzrosła z 15 J/cm² do 35 J/cm².
Optymalizacja wydajności zmęczeniowej: Obróbka cieplna może rozwiązać problemy wewnątrz materiału i spowolnić rozprzestrzenianie się pęknięć zmęczeniowych. Po obróbce cieplnej trwałość zmęczeniowa części drukowanych GH4169 w temperaturze 650 stopni jest o 20% dłuższa niż części kutych.
3. Stabilność wymiarowa: od zginania do dokładnego zapewnienia
Części metalowe drukowane w 3D mogą zmieniać rozmiar po wydrukowaniu z powodu uwolnienia naprężeń szczątkowych lub zmian w mikrostrukturze. Może to utrudnić ich prawidłowe połączenie. Obróbka cieplna może znacznie poprawić stabilność wymiarową, czyniąc mikrostrukturę bardziej stabilną i pozbywając się naprężeń.
Mniejsze odkształcenie: Wyżarzanie może zmniejszyć różnicę współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy częściami i zmniejszyć odkształcenia podczas obróbki. Na przykład odchylenie średnicy drukowanej części wymiennika ciepła o złożonym kanale przepływowym wzrosło po wyżarzaniu z ± 0,15 mm do ± 0,05 mm.
Długoterminowa-stabilność: obróbka starzeniowa może pozbyć się przesyconych roztworów stałych w materiałach i zapobiec nadmiernym zmianom ich rozmiaru w czasie. Na przykład po starzeniu w temperaturze 170 stopni przez 8 godzin tempo zmiany rozmiaru drukowanych części ze stopu aluminium spadło z 0,3% rocznie do 0,05% rocznie.
Adaptacja skomplikowanych struktur: obróbka cieplna może pomóc w zapobieganiu akumulacji naprężeń podczas przetwarzania złożonych struktur, takich jak cienkościenne-i porowate. Po dwukrotnym wyżarzeniu (700 stopni × 2 godz. + 500 stopni × 4 godz.) granica zmęczenia implantów ortopedycznych ze stopu tytanu wzrosła z 450 MPa do 600 MPa, co jest wystarczające do utrzymania ciężaru ciała w czasie.
4. Specjalne wymagania dotyczące wydajności: Od uniwersalnych do niestandardowych Przełom: Obróbka cieplna może również zapewnić metalowe obiekty drukowane 3D unikalne właściwości, co czyni je przydatnymi w większej liczbie sytuacji.
Zwiększona odporność na korozję: Obróbka roztworem stałym może rozpuścić drugą fazę w materiale, co zmniejsza prawdopodobieństwo korozji za pomocą środków elektrochemicznych. Na przykład, po obróbce roztworem o temperaturze 1050 stopni, potencjał wżerów elementów drukowanych ze stali nierdzewnej 316L wzrósł z 320 mV do 450 mV, co jest dobre do stosowania w warunkach morskich.
Kontrola właściwości magnetycznych: Obróbka cieplna może zmienić orientację ziaren i naprężenia szczątkowe miękkich materiałów magnetycznych, aby poprawić ich właściwości magnetyczne. Przykładowo po nagrzaniu do 750 stopni przenikalność magnetyczna danej części elektrozaworu wzrasta o 20%, a ilość zużywanej energii spada o 15%.
Poprawa biokompatybilności: Implanty medyczne należy podgrzać, aby pozbyć się zanieczyszczeń powierzchniowych i wytworzyć warstwę pasywacyjną. Na przykład chropowatość powierzchni Ra implantów ortopedycznych ze stopu tytanu wzrosła z 3,2 μm do 0,8 μm po myciu kwasem i wyżarzaniu w temperaturze 500 stopni, a szybkość przyklejania się komórek do implantów wzrosła o 40%.
5. Studium przypadku: Obróbka cieplna może znacznie poprawić właściwości stopu CuCrZr w sposób, którego się nie oczekuje.
Ze względu na doskonałą przewodność i właściwości mechaniczne stop CuCrZr jest często stosowany w częściach silników lotniczych. Jednak wykonanie skomplikowanych konstrukcji przy użyciu typowych metod przetwarzania jest trudne i kosztowne. Stop CuCrZr wykonany techniką SLM jest dość mocny (granica plastyczności 411 MPa), ale słabo przewodzi prąd elektryczny (31% IACS). Po godzinnym ogrzewaniu do 500 stopni jego wytrzymałość na rozciąganie wzrosła do 585 MPa, a przewodność do 64% IACS. Jest to podobne do tego, jak dobrze działają typowe stopy poddane obróbce. Ten scenariusz pokazuje, że obróbka cieplna jest ważnym krokiem w maksymalnym wykorzystaniu metalowych materiałów do druku 3D.