Защо е необходима термична обработка след метален 3D печат?

1. Премахването на остатъчното напрежение е ключът към спирането на деформацията и напукването.
По време на процеса на 3D печат на метал, материалът преминава през бързи цикли на нагряване и охлаждане, което оставя остатъчни напрежения в продуктите. Например, в процеса на лазерно топене на прахообразно легло (LPBF), резервоарът за стопилка се охлажда бързо, което може да окаже напрежение върху околния метал, който все още не се е разтопил. Частта може да се огъне, напука или да надхвърли ограничението на размера, ако напрежението е твърде голямо за материала. Например лопатките на авиационни двигатели от титаниева сплав имат тънки стени. Ако не бъдат термично -обработени след отпечатване, остатъчното напрежение може да доведе до неочаквано счупване по време на обработка или употреба, което би било много опасно.
Отгряването за намаляване на напрежението и други методи за термична обработка могат много добре да премахнат остатъчното напрежение. По време на процеса на отгряване парчетата се нагряват до температура под точката на рекристализация (обикновено 50% до 70% от точката на топене на материала), държат се там за определено време и след това постепенно се охлаждат. По това време вътрешните дислокации на материала се пренареждат, зърната се възстановяват и рекристализират и напрежението се освобождава. Например, специфичен вид турбинен диск беше закален при 650 градуса за 4 часа, което намали остатъчното напрежение от 320MPa на 80MPa и деформацията с 90%. Това гарантира, че обработката ще бъде точна.
2. Подобряване на микроструктурата: като цяло материалите работят по-добре
Бързото втвърдяване на металния 3D печат може да причини груба микроструктура и сегрегация на състава, което може да увреди работата на частите. Например, LPBF-отпечатаната неръждаема стомана 316L може да има грапави колоновидни кристали и нейната устойчивост на умора е с 40% по-ниска от тази на кованата стомана. Топлинната обработка може да накара нещата да работят по-добре чрез контролиране на микроструктурата:
Усъвършенстване на зърната: По време на отгряване процесът на рекристализация може да направи зърната по-малки. Например, отгряването на отпечатани части от алуминиева сплав при 350 градуса за 2 часа намалява размера на зърното от 100 μm на 20 μm и увеличава границата на провлачване с 15%.
Контрол на промяната на фазата: Когато охлаждате и темперирате стомана, можете да направите дву{0}}фазова структура, включваща мартензит и остатъчен аустенит. Например, твърдостта на отпечатаните компоненти от формована стомана достига до 58HRC след охлаждане при 1050 градуса и темпериране при 200 градуса. Износоустойчивостта е три пъти по-висока от тази на необработените части.
Премахване на дефектите: Синергичното действие на висока температура (обикновено 0,7–0,9 пъти точката на топене на материала) и високо налягане (100–200MPa) при обработка с горещо изостатично пресоване (HIP) може да затвори вътрешни дупки и микропукнатини в части. След обработка с HIP, плътността на частите от високо-температурна сплав за определен авиационен двигател се повиши от 99,2% на 99,99%, а частите издържаха 5 пъти по-дълго.
3. Отговаряйте на високи-стандарти за якост, за да подобрите механичните характеристики.
Механичните качества на металните 3D отпечатани елементи често не са толкова добри, колкото тези, направени по традиционни методи. Термичната обработка обаче може да ги направи много по-здрави, твърди и по-твърди.
Закаляването създава мартензитна структура чрез бързо охлаждане, което я прави много по-твърда. Например якостта на опън на отпечатани части, изработени от -базирана на никел високотемпературна-сплав премина от 850 MPa до 1200 MPa след закаляване при 1120 градуса.
По-добра издръжливост: Закаляването може да се отърве от охлаждащия стрес и да направи нещата по-твърди. Например, след закаляване и темпериране при 550 градуса, якостта на удар на отпечатан участък от трансмисионния вал на автомобил премина от 15J/cm² до 35J/cm², което отговаря на стандартите за безопасност при сблъсъци.
Увеличаване на ефективността на умора: Термичната обработка може значително да удължи живота на материала чрез контролиране на неговата микроструктура и остатъчно напрежение. Например двукратното отгряване (700 градуса за 2 часа и 500 градуса за 4 часа) повиши границата на умора на ортопедичните импланти от титаниева сплав от 450 MPa на 600 MPa, което е достатъчно, за да издържи -трайното тегло на тялото.
4. Уверете се, че размерите остават стабилни: отговарят на стандартите за прецизно сглобяване.
След отпечатване металните 3D отпечатани парчета могат да променят размера си поради освобождаване на остатъчно напрежение или промени в микроструктурата. Това може да затрудни правилното им сглобяване. Топлинната обработка може да направи стабилността на размерите много по-добра чрез стабилизиране на микроструктурата и премахване на напрежението.
По-ниска деформация: Третирането чрез отгряване може да намали разликата в коефициента на топлинно разширение между частите и по-ниската деформация при обработка. Например, след отгряване, отклонението на диаметъра на отпечатана част за сложен топлообменник с поточен канал намаля от ± 0,15 mm на ± 0,05 mm, което отговаря на стандартите за уплътнителни течности.
Стабилност във времето: Изкуственото стареене и други процедури за стареене могат да се отърват от свръхнаситените твърди разтвори в материалите и да ги спрат да променят размера си твърде много с течение на времето. Например скоростта на промяна на размера на отпечатаните части от алуминиева сплав спадна от 0,3% на година до 0,05% на година след отлежаване при 170 градуса за 8 часа. Това отговори на дългосрочните-нужди от обслужване на космическото пространство.
5. Посрещане на уникални нужди от производителност: разширяване на обхвата на употреба
Топлинната обработка може също така да осигури на металните 3D отпечатани предмети специфични качества, което ги прави полезни на повече места:
Подобрена устойчивост на корозия: Третирането с твърд разтвор може да разтвори втората фаза в материала, което го прави по-малко вероятно да корозира чрез електрохимични средства. Например, след третиране с разтвор при 1050 градуса, потенциалът за питинг на отпечатани компоненти от неръждаема стомана 316L премина от 320mV на 450mV, което е добро за използване в морски условия.
Контролиране на магнитните характеристики: Термичната обработка може да промени ориентацията на зърната и остатъчното напрежение на меките магнитни материали, за да подобри техните магнитни свойства. Например, след нагряване до 750 градуса, магнитната проницаемост на дадена част от електромагнитен вентил се повишава с 20%, а количеството енергия, което използва, намалява с 15%.
Подобряване на биосъвместимостта: Медицинските импланти трябва да се нагреят, за да се отърват от повърхностните замърсители и да направят пасивиращ филм. След киселинно измиване и отгряване при 500 градуса, например, повърхностната грапавост Ra на ортопедични импланти от титаниева сплав премина от 3,2 μm на 0,8 μm, а степента на клетъчна адхезия се повиши с 40%.