De ce este necesar tratamentul termic după imprimarea 3D pe metal?

1. Eliberarea tensiunii reziduale este cheia pentru oprirea deformării și a fisurilor.
În timpul procesului de imprimare 3D a metalului, materialul trece prin cicluri rapide de încălzire și răcire, ceea ce lasă tensiuni reziduale în produse. De exemplu, în procesul de topire a stratului de pulbere cu laser (LPBF), bazinul de topire se răcește rapid, ceea ce ar putea pune stres asupra metalului din jur care nu s-a topit încă. Piesa se poate îndoi, fisura sau depășește limita de dimensiune dacă solicitarea este prea mare pentru material. De exemplu, palele motoarelor de aeronave din aliaj de titan au pereți subțiri. Dacă nu sunt tratate termic-după imprimare, tensiunea reziduală le poate face să se rupă neașteptat în timpul procesării sau utilizării, ceea ce ar fi foarte periculos.
Recoacere de reducere a tensiunii și alte metode de tratament termic pot scăpa foarte bine de stresul rezidual. În timpul procesului de recoacere, piesele sunt încălzite la o temperatură sub punctul de recristalizare (de obicei 50% până la 70% din punctul de topire al materialului), păstrate acolo pentru o perioadă de timp stabilită și apoi răcite progresiv. În acest moment, dislocațiile interne ale materialului sunt rearanjate, boabele se refac și se recristalizează, iar stresul este descărcat. De exemplu, un anumit tip de disc de turbină a fost recoacet la 650 de grade timp de 4 ore, ceea ce a redus efortul rezidual de la 320MPa la 80MPa și deformarea cu 90%. Acest lucru a asigurat că prelucrarea va fi precisă.
2. Îmbunătățirea microstructurii: face ca materialele să funcționeze mai bine în general
Solidificarea rapidă a imprimării 3D din metal poate cauza microstructura aspră și segregarea compoziției, ceea ce poate afecta performanța pieselor. De exemplu, oțelul inoxidabil 316L imprimat LPBF-poate avea cristale coloane brute, iar rezistența sa la oboseală este cu 40% mai mică decât cea a oțelului forjat. Tratamentul termic poate face ca lucrurile să funcționeze mai bine prin controlul microstructurii:
Rafinarea boabelor: în timpul recoacerii, procesul de recristalizare poate face boabele mai mici. De exemplu, recoacerea pieselor imprimate din aliaj de aluminiu la 350 de grade timp de 2 ore reduce dimensiunea granulelor de la 100 μm la 20 μm și crește rezistența la curgere cu 15%.
Controlul schimbării de fază: atunci când stingeți și căliți oțelul, puteți realiza o structură cu două-faze care cuprinde martensită și austenită reziduală. De exemplu, duritatea componentelor imprimate din oțel de matriță crește până la 58HRC după ce au fost stinse la 1050 de grade și călite la 200 de grade. Rezistența la uzură este de trei ori mai mare decât cea a pieselor care nu au fost tratate.
Eliminarea defectelor: acțiunea sinergică a temperaturii ridicate (de obicei de 0,7–0,9 ori punctul de topire al materialului) și a presiunii ridicate (100–200MPa) în tratamentul prin presare izostatică la cald (HIP) poate închide găurile interne și microfisurile în părți. După tratamentul HIP, densitatea pieselor din aliaj de-înaltă temperatură pentru un anumit motor de aviație a crescut de la 99,2% la 99,99%, iar piesele au durat de 5 ori mai mult.
3. Respectați standarde-înalte de rezistență pentru a îmbunătăți performanța mecanică.
Calitățile mecanice ale articolelor metalice imprimate 3D nu sunt adesea la fel de bune ca cele realizate prin metode tradiționale. Cu toate acestea, tratamentul termic le poate face mult mai puternice, mai dure și mai dure.
Tratamentul de stingere face o structură martensitică prin răcirea ei rapidă, ceea ce o face mult mai dificilă. De exemplu, rezistența la tracțiune a pieselor imprimate din aliaj de-nichel-înalte pentru temperatură a trecut de la 850 MPa la 1200 MPa după călire la 1120 de grade .
Duritate mai bună: călirea poate scăpa de stresul de stingere și poate face lucrurile mai dure. De exemplu, după călire și revenire la 550 de grade, rezistența la impact a unei secțiuni imprimate a arborelui de transmisie a unui autovehicul a trecut de la 15J/cm² la 35J/cm², ceea ce a îndeplinit standardele de siguranță pentru coliziuni.
Maximizarea performanței la oboseală: Tratamentul termic poate prelungi foarte mult durata de viață a unui material prin controlul microstructurii și stresului rezidual. De exemplu, recoacere dublă (700 de grade timp de 2 ore și 500 de grade timp de 4 ore) a crescut limita de oboseală a implanturilor ortopedice din aliaj de titan de la 450 MPa la 600 MPa, ceea ce este suficient pentru a susține greutatea-corpului pe termen lung.
4. Asigurați-vă că dimensiunile rămân stabile: corespund standardelor pentru o asamblare precisă.
După imprimare, piesele metalice imprimate 3D se pot schimba dimensiunea din cauza eliberării tensiunii reziduale sau a modificărilor microstructurii. Acest lucru poate face mai dificilă asamblarea lor corectă. Tratamentul termic poate face stabilitatea dimensională mult mai bună prin stabilizarea microstructurii și scăparea de tensiune.
Deformare mai scăzută: Tratamentul de recoacere poate reduce diferența de coeficient de dilatare termică între piese și poate reduce deformarea la prelucrare. De exemplu, după recoacere, abaterea diametrului unei piese imprimate pentru un schimbător de căldură cu canal de curgere complex a scăzut de la ± 0,15 mm la ± 0,05 mm, ceea ce a îndeplinit standardele pentru fluidele de etanșare.
Stabilitate în timp: Îmbătrânirea artificială și alte tratamente de îmbătrânire pot scăpa de soluțiile solide suprasaturate din materiale și le pot împiedica să își schimbe prea mult dimensiunea în timp. De exemplu, rata de schimbare a dimensiunii pieselor imprimate din aliaj de aluminiu a scăzut de la 0,3% pe an la 0,05% pe an după ce au fost îmbătrânite la 170 de grade timp de 8 ore. Acest lucru a satisfăcut nevoile-de servicii pe termen lung din domeniul aerospațial.
5. Satisfacerea nevoilor unice de performanta: extinderea gamei de utilizari
Tratamentul termic poate oferi, de asemenea, calități specifice articolelor metalice imprimate 3D, ceea ce le face utile în mai multe locuri:
Rezistență îmbunătățită la coroziune: Tratamentul cu soluție solidă poate dizolva a doua fază din material, ceea ce îl face mai puțin probabil să se corodeze prin mijloace electrochimice. De exemplu, după ce a fost tratat cu o soluție la 1050 de grade, potențialul de pitting al componentelor imprimate din oțel inoxidabil 316L a trecut de la 320mV la 450mV, ceea ce este bun pentru utilizare în condiții maritime.
Controlul caracteristicilor magnetice: Tratamentul termic poate modifica orientarea granulelor și stresul rezidual al materialelor magnetice moi pentru a le îmbunătăți proprietățile magnetice. De exemplu, după ce a fost încălzită la 750 de grade, permeabilitatea magnetică a unei anumite părți a unei electrovalve crește cu 20%, iar cantitatea de energie pe care o folosește scade cu 15%.
Îmbunătățirea biocompatibilității: implanturile medicale trebuie încălzite pentru a scăpa de contaminanții de suprafață și pentru a face o peliculă de pasivare. După spălarea cu acid și recoacere la 500 de grade, de exemplu, rugozitatea suprafeței Ra a implanturilor ortopedice din aliaj de titan a crescut de la 3,2 μm la 0,8 μm, iar rata de aderență celulară a crescut cu 40%.