Dlaczego obróbka cieplna po druku 3D z metalu jest konieczna?

1. Pozbycie się naprężeń szczątkowych jest kluczem do zatrzymania deformacji i pęknięć.
Podczas procesu drukowania 3D metalu materiał przechodzi szybkie cykle ogrzewania i chłodzenia, co pozostawia w produktach naprężenia szczątkowe. Na przykład w procesie topienia laserowego złoża proszkowego (LPBF) jeziorko stopionego materiału szybko się ochładza, co może wywierać nacisk na otaczający metal, który jeszcze się nie stopił. Część może się wygiąć, pęknąć lub przekroczyć dopuszczalny rozmiar, jeśli naprężenie jest zbyt duże dla materiału. Na przykład łopatki silników lotniczych ze stopu tytanu mają cienkie ścianki. Jeśli po wydrukowaniu nie zostaną poddane obróbce cieplnej, naprężenie szczątkowe może spowodować ich nieoczekiwane pęknięcie podczas przetwarzania lub użytkowania, co byłoby bardzo niebezpieczne.
Wyżarzanie redukujące naprężenia i inne metody obróbki cieplnej mogą bardzo dobrze pozbyć się naprężeń szczątkowych. Podczas procesu wyżarzania kawałki są podgrzewane do temperatury poniżej punktu rekrystalizacji (zazwyczaj 50% do 70% temperatury topnienia materiału), trzymane w tej temperaturze przez określony czas, a następnie stopniowo schładzane. W tym czasie następuje reorganizacja wewnętrznych dyslokacji materiału, ziarna odzyskują siły i rekrystalizują, a naprężenia zostają rozładowane. Na przykład tarczę turbiny określonego rodzaju wyżarzono w temperaturze 650 stopni przez 4 godziny, co obniżyło naprężenie szczątkowe z 320 MPa do 80 MPa i odkształcenie o 90%. Dzięki temu obróbka była dokładna.
2. Poprawa mikrostruktury: ogólna poprawa działania materiałów
Szybkie krzepnięcie druku 3D z metalu może powodować szorstką mikrostrukturę i segregację składu, co może pogorszyć wydajność części. Na przykład stal nierdzewna 316L-drukowana metodą LPBF może mieć szorstkie kryształy kolumnowe, a jej odporność zmęczeniowa jest o 40% niższa niż w przypadku stali kutej. Obróbka cieplna może poprawić działanie poprzez kontrolowanie mikrostruktury:
Rozdrobnienie ziarna: Podczas wyżarzania proces rekrystalizacji może spowodować, że ziarna będą mniejsze. 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 twardość elementów drukowanych ze stali formowanej wzrasta do 58 HRC po hartowaniu w temperaturze 1050 stopni i odpuszczaniu w temperaturze 200 stopni. Odporność na zużycie jest trzykrotnie wyższa niż w przypadku części, które nie zostały poddane obróbce.
Pozbycie się wad: Synergiczne działanie wysokiej temperatury (zwykle 0,7–0,9-krotności temperatury topnienia materiału) i wysokiego ciśnienia (100–200 MPa) podczas obróbki metodą prasowania izostatycznego na gorąco (HIP) może zamknąć wewnętrzne otwory i mikropęknięcia w częściach. Po obróbce HIP gęstość-części ze stopów wysokotemperaturowych w przypadku określonego silnika lotniczego wzrosła z 99,2% do 99,99%, a trwałość części była 5 razy dłuższa.
3. Spełniaj-standardy wysokiej wytrzymałości, aby poprawić wydajność mechaniczną.
Właściwości mechaniczne metalowych przedmiotów drukowanych w 3D często nie są tak dobre, jak te wykonane tradycyjnymi metodami. Jednak obróbka cieplna może sprawić, że będą znacznie mocniejsze, twardsze i twardsze.
Hartowanie tworzy strukturę martenzytyczną, szybko ją schładzając, co znacznie utrudnia. Na przykład wytrzymałość na rozciąganie drukowanych części wykonanych z wysokotemperaturowego{{2}stopu-na bazie niklu wzrosła z 850 MPa do 1200 MPa po hartowaniu w temperaturze 1120 stopni.
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, co spełniało standardy bezpieczeństwa dotyczące kolizji.
Maksymalizacja wydajności zmęczeniowej: Obróbka cieplna może znacznie wydłużyć żywotność materiału poprzez kontrolowanie jego mikrostruktury i naprężeń szczątkowych. Na przykład dwukrotne wyżarzanie (700 stopni przez 2 godziny i 500 stopni przez 4 godziny) podniosło granicę zmęczenia implantów ortopedycznych ze stopu tytanu z 450 MPa do 600 MPa, co jest wystarczające do utrzymania-ciężaru ciała w długim okresie.
4. Upewnij się, że wymiary pozostają stabilne: odpowiadają standardom precyzyjnego montażu.
Po wydrukowaniu metalowe elementy wydrukowane w 3D mogą zmienić rozmiar z powodu uwolnienia naprężeń szczątkowych lub zmian w mikrostrukturze. Może to utrudnić ich prawidłowe połączenie. Obróbka cieplna może znacznie poprawić stabilność wymiarową poprzez stabilizację mikrostruktury i pozbycie się naprężeń.
Mniejsze odkształcenie: Wyżarzanie może zmniejszyć różnicę współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy częściami i zmniejszyć odkształcenie podczas obróbki. Na przykład po wyżarzaniu odchylenie średnicy drukowanej części dla wymiennika ciepła ze złożonym kanałem przepływowym spadło z ± 0,15 mm do ± 0,05 mm, co spełniało standardy dla płynów uszczelniających.
Stabilność w czasie: Sztuczne starzenie i inne zabiegi starzenia mogą pozbyć się przesyconych roztworów stałych w materiałach i zapobiec nadmiernej zmianie ich rozmiaru w czasie. Na przykład tempo zmiany rozmiaru części drukowanych ze stopu aluminium spadło z 0,3% rocznie do 0,05% rocznie po starzeniu w temperaturze 170 stopni przez 8 godzin. Zaspokoiło to długoterminowe-potrzeby usługowe branży lotniczej.
5. Zaspokojenie unikalnych potrzeb wydajnościowych: poszerzenie zakresu zastosowań
Obróbka cieplna może również nadać metalowym elementom wydrukowanym w 3D określone właściwości, co czyni je przydatnymi w większej liczbie miejsc:
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.
Kontrolowanie właściwości magnetycznych: Obróbka cieplna może zmienić orientację ziaren i naprężenia szczątkowe miękkich materiałów magnetycznych, aby poprawić ich właściwości magnetyczne. Przykładowo, po podgrzaniu do 750 stopni przenikalność magnetyczna danej części elektrozaworu wzrasta o 20%, a ilość zużywanej przez nią energii spada o 15%.
Poprawa biokompatybilności: Implanty medyczne należy podgrzać, aby pozbyć się zanieczyszczeń powierzchniowych i wytworzyć warstwę pasywacyjną. Na przykład po przemyciu kwasem i wyżarzeniu w temperaturze 500 stopni chropowatość powierzchni Ra implantów ortopedycznych ze stopu tytanu wzrosła z 3,2 μm do 0,8 μm, a współczynnik adhezji komórek wzrósł o 40%.