Чи є суттєва різниця в продуктивності металевих 3D-друкованих деталей до і після термообробки?

1. Мікроструктура: зміна якості від дефектів до щільності
Процес металевого 3D-друку передбачає швидке нагрівання та охолодження матеріалу, що спричиняє появу багатьох дрібних дефектів усередині об’єктів. Наприклад, у методі лазерного плавлення шару порошку (LPBF) ванна розплаву швидко охолоджується, у результаті чого утворюються грубі стовпчасті кристали з дислокаціями високої-щільності та мікропорами на межах зерен. Ці дефекти не тільки знижують щільність матеріалу (зазвичай 98%–99,5%), але також викликають утворення тріщин, що робить деталі більш слабкими з точки зору їх механічних якостей.
Термічна обробка покращує мікроструктуру, роблячи наступне:
Ущільнення: обробка гарячим ізостатичним пресуванням (HIP) працює з високою температурою (зазвичай 0,7-0,9 точки плавлення матеріалу) і високим тиском (100-200 МПа), щоб закрити внутрішні пори та мікротріщини деталі. Наприклад, після обробки HIP щільність деталей із високотемпературного сплаву для певного авіаційного двигуна зросла з 99,2% до 99,99%, і деталі могли служити в п’ять разів довше, перш ніж вийти з ладу.
Очищення зерна: процес рекристалізації під час відпалу може зменшити розмір зерна. Наприклад, відпал друкованих деталей із алюмінієвого сплаву при 350 градусах протягом 2 годин зменшує розмір зерна зі 100 мкм до 20 мкм і підвищує межу текучості на 15%.
Контроль зміни фази. Під час загартування та відпуску сталі можна створити дво{0}}фазну структуру, що включає мартенсит і залишковий аустеніт. Наприклад, після загартування при 1050 градусах і відпуску при 200 градусах твердість друкованих деталей із формованої сталі досягає 58HRC, і вони втричі більш стійкі до зношування, ніж необроблені частини.
2, Механічні властивості: перехід від крихкості до міцності
Термічна обробка дуже важлива для покращення механічних властивостей металевих 3D-друкованих виробів. Наприклад, дивлячись на високо{2}}температурний сплав GH4169, друковані деталі мають трохи нижчу міцність на розрив і межу текучості, ніж ковані деталі, але подовження при розриві та-поперечна усадка набагато гірші. Після звичайної термічної обробки (відпал для зняття напруги та гомогенізаційний відпал) його міцність при кімнатній температурі та високих температурах відповідає або перевершує норми для кування. Його стійкість до високих-температур також краща, ніж у кованих деталей.
Розбіжності в продуктивності проявляються в:
Підвищення міцності: процедура загартування створює мартенситну структуру шляхом її швидкого охолодження, що робить її набагато твердішою. Наприклад, після загартування міцність на розрив друкованих деталей із високотемпературного сплаву-на основі нікелю-зростає з 460 МПа до 585 МПа.
Краща міцність: загартування може позбутися від напруги гасіння та зробити речі міцнішими. Наприклад, після загартування та відпустки при 550 градусах ударна в’язкість надрукованої секції вала трансмісії автомобіля зросла з 15 Дж/см² до 35 Дж/см².
Оптимізація втомних характеристик: термічна обробка може вирішити проблеми всередині матеріалу та сповільнити поширення втомних тріщин. Після термічної обробки термін служби друкованих деталей GH4169 при температурі 650 градусів на 20% довший, ніж у кованих деталей.
3. Стабільність розмірів: від згинання до точної гарантії
Металеві 3D-друковані деталі можуть змінити розмір після друку через залишкову напругу або зміни в мікроструктурі. Це може ускладнити їх правильне складання. Термічна обробка може значно покращити стабільність розмірів, роблячи мікроструктуру більш стабільною та позбавляючись від напруги.
Менша деформація: відпал може зменшити різницю в коефіцієнті теплового розширення між деталями та зменшити механічну деформацію. Наприклад, відхилення діаметра друкованої секції складного теплообмінника проточного каналу змінилося від ± 0,15 мм до ± 0,05 мм після відпалу.
Довгострокова -стабільність: обробка старіння може позбутися перенасичених твердих розчинів у матеріалах і запобігти надмірній зміні їх розміру з часом. Наприклад, після витримки при 170 градусах протягом 8 годин швидкість зміни розміру надрукованих деталей з алюмінієвого сплаву впала з 0,3% на рік до 0,05% на рік.
Адаптація складних структур. Термічна обробка може допомогти запобігти накопиченню напруги під час обробки складних структур, як-от тонкостінних і пористих. Після подвійного відпалу (700 градусів × 2 години + 500 градусів × 4 години) межа втоми ортопедичних імплантатів із титанового сплаву піднялася з 450 МПа до 600 МПа, чого достатньо, щоб витримати вагу тіла з часом.
4. Спеціальні вимоги до продуктивності: від універсальності до індивідуального прориву: термічна обробка також може надати металевим 3D-друкованим об’єктам унікальні якості, що робить їх корисними в більшій кількості ситуацій.
Покращена стійкість до корозії: обробка твердим розчином може розчинити другу фазу в матеріалі, що зменшує ймовірність корозії через електрохімічні засоби. Наприклад, після обробки розчином при 1050 градусах потенціал точкової коррозії друкованих компонентів з нержавіючої сталі 316L підвищився з 320 мВ до 450 мВ, що добре для використання в морських умовах.
Контроль магнітних властивостей: термічна обробка може змінити орієнтацію зерна та залишкову напругу м’яких магнітних матеріалів, щоб покращити їхні магнітні характеристики. Наприклад, після нагрівання до 750 градусів магнітна проникність певної частини електромагнітного клапана зростає на 20%, а кількість споживаної енергії зменшується на 15%.
Покращення біосумісності: медичні імплантати потрібно нагріти, щоб позбутися поверхневих забруднень і створити пасивуючу плівку. Наприклад, шорсткість поверхні Ra ортопедичних імплантатів із титанового сплаву зросла з 3,2 мкм до 0,8 мкм після кислотного промивання та відпалу при 500 градусах, а швидкість, з якою клітини прилипають до імплантатів, зросла на 40%.
5. Приклад: термічна обробка може значно покращити характеристики сплаву CuCrZr у спосіб, який не очікується.
Оскільки сплав CuCrZr має чудову провідність і механічні якості, його часто використовують у частинах двигунів літаків. Однак створювати складні конструкції за допомогою типових методів обробки важко і дорого. Сплав CuCrZr, виготовлений за допомогою технології SLM, досить міцний (межа текучості 411 МПа), але не дуже добре проводить електрику (31% IACS). Після нагрівання до 500 градусів протягом години його міцність на розрив зросла до 585 МПа, а його провідність піднялася до 64% ​​IACS. Це схоже на те, наскільки добре працюють типові оброблені сплави. Цей сценарій показує, що термічна обробка є важливим кроком для отримання максимальної користі від металевих матеріалів для 3D-друку.