Czy obróbka powierzchni może poprawić odporność na korozję metalowych części drukowanych w 3D?

一, Główna część technologii obróbki powierzchni
Stan powierzchni ma bezpośredni wpływ na odporność metalowych obiektów drukowanych 3D na korozję. Chropowatość powierzchni, drobne wady i segregacja składu przyspieszają przenikanie substancji korozyjnych, takich jak jony chlorkowe i kwaśne gazy. Z drugiej strony metody obróbki powierzchni zwiększają odporność materiałów na korozję w następujący sposób:
Usuwanie defektów: Pozbądź się wad powierzchniowych, w tym niestopionych cząstek proszku i zachodzących na siebie śladów stopionego jeziorka, i utrudnij przywieranie mediów korozyjnych. Na przykład polerowanie chemiczne może pozbyć się lepkiej warstwy o grubości 70 μm poprzez selektywne rozpuszczanie występów powierzchniowych. To znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia korozji wżerowej.
Optymalizacja mikrostruktury polega na zmianie wielkości ziaren i pozbyciu się segregacji składników poprzez zastosowanie metod obróbki cieplnej lub modyfikacji powierzchni. Na przykład prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) może spowodować, że gęstość materiału osiągnie prawie 100%, pozbyć się porów wewnętrznych i utrudnić przedostawanie się mediów korozyjnych.
Aby chronić podłoże metalowe przed środowiskiem korozyjnym, nałóż na jego powierzchnię grubą warstwę tlenku, warstwę stopu lub powłokę. Na przykład anodowanie może stworzyć powłokę Al ₂ O3 o grubości od 5 do 20 μm na powierzchni stopów aluminium. Dzięki temu są znacznie bardziej odporne na korozję w mgle solnej.
2, Najpopularniejsze podejście do obróbki powierzchni i sposób, w jaki pomaga chronić przed korozją
1. polerowanie chemikaliami i polerowanie elektrycznością
Polerowanie chemiczne: zastosowanie silnych roztworów kwasów utleniających (takich jak kwas solny i kwas azotowy) w celu selektywnego rozpuszczania nierówności na powierzchni, nadając jej gładkość na poziomie sub-mikronowym. Po polerowaniu chemicznym chropowatość powierzchni drukowanego w 3D stopu tytanu waha się od 6–12 μm do 0,2–1 μm. Krytyczna temperatura wżerowa (CPT) w 3,5% roztworze NaCl wzrasta o 15 stopni, co czyni go znacznie bardziej odpornym na korozję wżerową.
Polerowanie elektrochemiczne: Zastosowanie procesów elektrolitycznych w celu uzyskania gładkości w skali nano i jednoczesnego wytworzenia filmu pasywacyjnego. Na przykład polerowanie elektrochemiczne zmniejszyło chropowatość powierzchni stali nierdzewnej 316L z 8 μm do 0,18 μm, a szybkość korozji w symulowanych płynach ustrojowych o 90%, czyli tego, czego potrzebują implanty medyczne do długotrwałego-użytkowania.
2. Zmiana powierzchni i jej podgrzanie
Obróbka cieplna to proces usuwania napięć wewnętrznych i poprawy struktury ziarna. Wyżarzanie i hartowanie to dwa przykłady tego. Przykładowo po obróbce cieplnej stopień utleniania łopatek turbin silników lotniczych w wysokich temperaturach spada o 50 stopni, a ich żywotność wzrasta o 20%.
Azotowanie lub nawęglanie powierzchni: Wprowadzanie do powierzchni atomów azotu lub węgla w wysokich temperaturach w celu wytworzenia warstwy dyfuzyjnej, która jest bardzo twarda i odporna na korozję. Na przykład po azotowaniu twardość powierzchni stali formierskiej wzrasta do 1000–1200 HV i jest ona odporna na korozję w komorze solnej przez ponad 1000 godzin.
3. Technologia powlekania
Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD): Nakładanie mocnych powłok, takich jak TiN i CrN, aby uczynić elementy bardziej odpornymi na zużycie i korozję. Na przykład po pokryciu PVD stopień utleniania-stopów na bazie niklu, które zostały wydrukowane w 3D, spada o 80% w wysokiej temperaturze wynoszącej 650 stopni.
Powlekanie chemiczne/galwanizacja: Nakładanie warstw Ni-P, Ni-B i innych stopów w celu wypełnienia wad powierzchniowych i utworzenia warstwy ochronnej. Na przykład bezprądowy stop niklu i fosforu może zmniejszyć gęstość prądu korozyjnego stali nierdzewnej w wodzie morskiej o 95%. Jego odporność na korozję jest prawie tak dobra jak stopu tytanu.
Anodowanie jest dobre do wytwarzania grubych warstw tlenku na metalach lekkich, takich jak stopy aluminium. Na przykład po rygorystycznym anodowaniu części statków kosmicznych ze stopu aluminium mogą wytrzymać korozję mgły solnej przez ponad 5000 godzin i mieć temperaturę topnienia 2320 K. Spełnia to bardzo wysokie standardy ochrony środowiska.
3, Przykłady wykorzystania danych i przypadków przez branżę
W przemyśle lotniczym łopatki turbin silnika LEAP firmy GE Aviation wykorzystują druk 3D i polerowanie chemiczne, aby uzyskać gładszą powierzchnię w zakresie od 10 μm do 1 μm, dzięki czemu silnik jest o 8% bardziej aerodynamiczny. Jednocześnie obróbka HIP pozwala pozbyć się porów wewnętrznych, co wydłuża-trwałość zmęczeniową w wysokiej temperaturze z 5000 do 12000 cykli.
Implanty medyczne: po polerowaniu elektrochemicznym wydrukowane w 3D-3D urządzenie ze stopu tytanu firmy Johnson & Johnson charakteryzuje się chropowatością powierzchni wynoszącą 0,8 μm, przyczepnością Staphylococcus aureus o 90% i wskaźnikiem powodzenia klinicznego wynoszącym ponad 95%.
Inżynieria oceaniczna: Szybkość korozji wydrukowanego w 3D zaworu z brązu niklowo-aluminiowego wykonanego przez CNOOC w słonej wodzie wzrosła z 0,5 mm/rok do 0,05 mm/rok po napawaniu laserowym i niklowaniu chemicznym. Żywotność zaworu została również zwiększona 10-krotnie.