Proč je po kovovém 3D tisku nutné tepelné zpracování?

1. Zbavit se zbytkového napětí je klíčem k zastavení deformace a praskání.
Během procesu 3D tisku kovu prochází materiál rychlými cykly zahřívání a ochlazování, což zanechává ve výrobcích zbytkové napětí. Například při procesu tavení laserového lože (LPBF) se tavná lázeň rychle ochladí, což může způsobit tlak na okolní kov, který se ještě neroztavil. Díl se může ohnout, prasknout nebo překročit limit velikosti, pokud je napětí pro materiál příliš vysoké. Například lopatky leteckých motorů z titanové slitiny mají tenké stěny. Pokud nejsou po tisku tepelně -zpracovány, může zbytkové napětí způsobit jejich neočekávané prasknutí během zpracování nebo používání, což by bylo velmi nebezpečné.
Žíhání na snížení pnutí a další metody tepelného zpracování dokážou velmi dobře zbavit zbytkového pnutí. Během procesu žíhání se kusy zahřejí na teplotu pod bodem rekrystalizace (typicky 50 % až 70 % bodu tání materiálu), udržují se tam po stanovenou dobu a pak se postupně ochladí. V tomto okamžiku se vnitřní dislokace materiálu přeskupí, zrna se zotaví a rekrystalizují a napětí se uvolní. Například konkrétní druh turbínového disku byl žíhán při 650 stupních po dobu 4 hodin, čímž se snížilo zbytkové napětí z 320 MPa na 80 MPa a deformace o 90 %. Tím bylo zajištěno, že obrábění bude přesné.
2. Zlepšení mikrostruktury: celkově lépe fungují materiály
Rychlé tuhnutí kovového 3D tisku může způsobit hrubou mikrostrukturu a segregaci složení, což může poškodit výkon dílů. Například nerezová ocel 316L potištěná LPBF- může mít hrubé sloupcovité krystaly a její odolnost proti únavě je o 40 % nižší než u kované oceli. Tepelné zpracování může zlepšit fungování věcí řízením mikrostruktury:
Zjemnění zrna: Během žíhání může proces rekrystalizace zmenšit zrna. Například žíhání tištěných dílů z hliníkové slitiny při 350 stupních po dobu 2 hodin snižuje velikost zrna ze 100 μm na 20 μm a zvyšuje mez kluzu o 15 %.
Řízení změny fáze: Když kalíte a temperujete ocel, můžete vytvořit dvoufázovou-strukturu obsahující martenzit a zbytkový austenit. Například tvrdost lisovaných ocelových tištěných součástí dosahuje až 58 HRC poté, co byly kaleny při 1050 stupních a popouštěny při 200 stupních. Odolnost proti opotřebení je třikrát vyšší než u dílů, které nebyly ošetřeny.
Zbavení se nedostatků: Synergické působení vysoké teploty (obvykle 0,7–0,9násobek bodu tání materiálu) a vysokého tlaku (100–200 MPa) při zpracování izostatickým lisováním za horka (HIP) může uzavřít vnitřní otvory a mikrotrhliny v dílech. Po ošetření HIP vzrostla hustota vysokoteplotních slitinových dílů pro určitý letecký motor z 99,2 % na 99,99 % a díly vydržely 5krát déle.
3. Dodržujte vysoké-standardy pevnosti pro zlepšení mechanického výkonu.
Mechanické vlastnosti kovových 3D tištěných předmětů často nejsou tak dobré jako těch vyrobených tradičními metodami. Tepelné zpracování je však může učinit mnohem pevnějšími, tvrdšími a tvrdšími.
Kalení vytváří martenzitickou strukturu jejím rychlým ochlazením, což ji činí mnohem těžší. Například pevnost v tahu tištěných dílů vyrobených z niklové-vysokoteplotní{2}}slitiny na bázi niklu se po kalení při 1120 stupních zvýšila z 850 MPa na 1200 MPa.
Lepší houževnatost: Temperování vás může zbavit stresu a zpevnit věci. Například po kalení a temperování při 550 stupních se rázová houževnatost tištěné části hřídele převodovky automobilu změnila z 15 J/cm² na 35 J/cm², což splnilo bezpečnostní normy pro kolize.
Maximalizace únavového výkonu: Tepelné zpracování může výrazně prodloužit životnost materiálu řízením jeho mikrostruktury a zbytkového napětí. Například dvojnásobné žíhání (700 stupňů po dobu 2 hodin a 500 stupňů po 4 hodiny) zvýšilo mez únavy ortopedických implantátů z titanové slitiny ze 450 MPa na 600 MPa, což je dostatečné pro udržení dlouhodobé hmotnosti těla-.
4. Ujistěte se, že rozměry zůstávají stabilní: dodržujte normy pro přesnou montáž.
Po vytištění mohou kovové 3D tištěné kusy změnit velikost v důsledku uvolnění zbytkového napětí nebo změn v mikrostruktuře. To může ztížit jejich správné sestavení. Tepelné zpracování může výrazně zlepšit rozměrovou stabilitu tím, že stabilizuje mikrostrukturu a zbaví se napětí.
Nižší deformace: Ošetření žíháním může snížit rozdíl v koeficientu tepelné roztažnosti mezi součástmi a snížit deformaci při obrábění. Například po žíhání se odchylka průměru tištěného dílu pro komplexní průtokový kanálový tepelný výměník snížila z ± 0,15 mm na ± 0,05 mm, což splnilo normy pro těsnicí kapaliny.
Stabilita v průběhu času: Umělé stárnutí a jiná ošetření stárnutí mohou zbavit materiály přesycených pevných roztoků a zabránit jim v přílišné změně velikosti v průběhu času. Například rychlost změny velikosti tištěných dílů z hliníkové slitiny klesla z 0,3 % za rok na 0,05 % za rok poté, co byly 8 hodin stárnuty při 170 stupních. To splnilo-dlouhodobé servisní potřeby letectví.
5. Splnění jedinečných požadavků na výkon: rozšíření rozsahu použití
Tepelné zpracování může také poskytnout kovové 3D tištěné předměty specifické vlastnosti, díky čemuž jsou užitečné na více místech:
Zlepšená odolnost proti korozi: Úprava v tuhém roztoku může rozpustit druhou fázi v materiálu, což snižuje pravděpodobnost koroze elektrochemickými prostředky. Například po ošetření roztokem o teplotě 1050 stupňů se potenciál důlkové koroze tištěných součástí z nerezové oceli 316L změnil z 320 mV na 450 mV, což je dobré pro použití v námořních podmínkách.
Řízení magnetických charakteristik: Tepelné zpracování může změnit orientaci zrna a zbytkové napětí měkkých magnetických materiálů, aby se zlepšily jejich magnetické vlastnosti. Například po zahřátí na 750 stupňů se magnetická permeabilita dané části solenoidového ventilu zvýší o 20 % a množství energie, kterou spotřebovává, se sníží o 15 %.
Zlepšení biokompatibility: Lékařské implantáty je třeba zahřát, aby se zbavily povrchových nečistot a vytvořily pasivační film. Po promytí kyselinou a žíhání při 500 stupních se například drsnost povrchu Ra ortopedických implantátů z titanové slitiny zvýšila z 3,2 μm na 0,8 μm a rychlost buněčné adheze vzrostla o 40 %.