Môže tepelné spracovanie zlepšiť pevnosť kovových 3D tlačených dielov?

1. Princípy technológie tepelného spracovania: zmena mikroštruktúry na makroskopické vlastnosti
Ohrievaním, izoláciou, chladením a vykonávaním iných vecí tepelné spracovanie modifikuje kryštálovú štruktúru, fázové zloženie a distribúciu defektov kovových materiálov, čo zlepšuje ich mechanické vlastnosti. Najdôležitejšia vec pri tepelnom spracovaní kovových 3D tlačených predmetov je:
Uvoľnenie zvyškového napätia
Počas 3D tlače materiály prechádzajú rýchlymi cyklami tavenia a tuhnutia, čo zanecháva zvyškové napätia vo vnútri komponentov. Tieto napätia môžu spôsobiť ohýbanie, zlomenie alebo zlyhanie dielov v dôsledku únavy. Žíhacia terapia je zahrievanie častí nad teplotu, pri ktorej môžu rekryštalizovať a potom ich pomaly ochladzovať. To môže spôsobiť, že zrná sa zotavia a rekryštalizujú, čím sa uvoľní napätie vo vnútri častí. Napríklad spoločnosť zaoberajúca sa železničnou dopravou v meste Zhuzhou použila vákuové žíhanie na prípravu dielov prevodovky z titánovej zliatiny potlačených SLM-. Tým sa znížilo zvyškové napätie na 30 % pôvodnej hodnoty a diely sa stali oveľa stabilnejšími vo veľkosti.
Rafinovanie a miešanie zŕn
Keď 3D vytlačené kusy vychladnú príliš rýchlo, môžu mať hrubé zrná a nerovnomernú orientáciu, čo oslabuje materiál. Úpravou rýchlosti chladenia môže normalizačná úprava znížiť veľkosť zŕn o 50 % až 70 % ako predtým a môže tiež zastaviť segregáciu komponentov. Napríklad v leteckom a kozmickom priemysle sa normalizačná úprava často používa na zlepšenie štruktúry zŕn vysokoteplotných zliatin Inconel 718, čo zvyšuje ich medzu klzu o 15 % až 20 %.
Zrážky vo fáze posilňovania
Manipuláciou s teplotou a časom proces starnutia povzbudzuje atómy rozpustenej látky, aby sa spojili a vytvorili distribuované fázy spevňovania (ako fáza a fáza), čo robí materiál oveľa tvrdším. Tím na Monash University v Austrálii nechal zostarnúť titánovú zliatinu Beta-C vytlačenú spoločnosťou SLM pri 480 stupňoch . Konečná pevnosť v ťahu bola 1611 MPa, čo je nový rekord pre špecifickú pevnosť 3D tlačených kovov. Posilňujúcim mechanizmom je vytváranie-dvojitých nano precipitátov s vysokou hustotou.
Úplná kontrola nad mechanickým výkonom
Proces kalenia a popúšťania (kalenie pri vysoko{0}}teplotnom popúšťaní) využíva martenzitickú transformáciu a popúšťacie zmäkčovanie na nájdenie rovnováhy medzi vysokou pevnosťou a dobrou húževnatosťou dielov. Po ochladení a popustení má nehrdzavejúca oceľ 17-4PH vyrábaná spoločnosťou SLM pevnosť v ťahu 1035 MPa, medzu klzu 860 MPa a predĺženie približne 10 %. Vďaka tomu je dostatočne pevný pre konštrukčné diely, ktoré potrebujú udržať veľkú váhu.
2. Priemyselná prax: Nové využitie tepelného spracovania v dôležitých oblastiach
Oblasť letectva
Lopatky leteckých motorov, spaľovacie komory a ďalšie časti musia byť schopné zvládnuť veľmi vysoké teploty, tlaky a namáhania. To znamená, že materiály použité na ich výrobu musia byť veľmi pevné. GE Aviation tlačí palivové trysky Inconel 718 pomocou technológie SLM. Potom používajú izostatické lisovanie za tepla (HIP) a ošetrenie starnutím v roztoku, aby sa zbavili vnútorných pórov (hustota väčšia alebo rovná 99,9 %), vďaka čomu sú diely o 40 % pevnejšie pri 650 stupňoch. Fungovalo to dobre pri výrobe mnohých motorov LEAP.
Oblasť zdravotníckych pomôcok
Pre ortopedické implantáty je dôležité, aby boli pevné a bezpečné pre telo. Johnson & Johnson Medical vyrobil bedrové kĺby Ti6Al4V pomocou SLM a potom použil vákuové žíhanie, aby sa zbavil povrchového zvyškového napätia. Na vyhladenie povrchu na Ra0,8 μm sa použilo aj chemické leštenie, čím sa strojnásobila únavová životnosť implantátu a splnili sa dlhodobé klinické-potreby.
Oblasť železničnej dopravy
SLM používa spoločnosť v Zhuzhou na tlač dielov pre prevodovky z titánovej zliatiny. Pevnosť dielov v ťahu je 850 MPa, tvrdosť HRC35, vnútorná hustota 99,8 %, rozmerová presnosť ± 0,03 mm a životnosť dielov je o 50 % dlhšia ako u tradičných odliatkov. Boli totiž optimalizované parametre lasera (výkon 300W, rýchlosť skenovania 1200mm/s) a diely boli ošetrené vákuovým žíhaním.