Existuje významný rozdiel vo výkone kovových 3D tlačených dielov pred a po tepelnom spracovaní?

1. Mikroštruktúra: zmena kvality od chýb k hustote
Proces kovovej 3D tlače zahŕňa rýchle zahrievanie a ochladzovanie materiálu, čo spôsobuje, že vo vnútri predmetov sa vyskytujú mnohé drobné chyby. Napríklad pri metóde tavenia v laserovom lôžku (LPBF) sa tavenina rýchlo ochladzuje, čím vznikajú hrubé stĺpcovité kryštály s dislokáciami s vysokou{2}}hustotou a mikropóry na hraniciach zŕn. Tieto chyby nielen znižujú hustotu materiálu (zvyčajne 98 % – 99,5 %), ale spôsobujú aj tvorbu trhlín, čím sú diely z hľadiska mechanických vlastností slabšie.
Tepelné spracovanie zlepšuje mikroštruktúru nasledujúcim spôsobom:
Zahusťovanie: Ošetrenie izostatickým lisovaním za horúca (HIP) pracuje s vysokou teplotou (zvyčajne 0,7-0,9-násobok bodu topenia materiálu) a vysokým tlakom (100 – 200 MPa), aby sa uzavreli vnútorné póry a mikrotrhlinky dielu. Napríklad po ošetrení HIP hustota vysokoteplotných zliatinových dielov pre určitý letecký motor išla z 99,2 % na 99,99 % a diely mohli vydržať päťkrát dlhšie, kým sa pokazili.
Rafinácia zrna: Proces rekryštalizácie počas žíhania môže zmenšiť veľkosť zrna. Napríklad žíhanie tlačených dielov z hliníkovej zliatiny pri 350 stupňoch počas 2 hodín znižuje veľkosť zrna zo 100 μm na 20 μm a zvyšuje medzu klzu o 15 %.
Kontrola zmeny fázy: Keď kalíte a popúšťate oceľ, môžete vytvoriť dvojfázovú{0}}štruktúru pozostávajúcu z martenzitu a zvyškového austenitu. Napríklad po ochladení pri 1050 stupňoch a temperovaní pri 200 stupňoch tvrdosť tlačených dielov z formovacej ocele dosahuje 58 HRC a sú trikrát odolnejšie voči opotrebovaniu ako neošetrené diely.
2, Mechanické vlastnosti: od krehkosti po pevnosť
Tepelné spracovanie je veľmi dôležité pre zlepšenie mechanických vlastností kovových 3D tlačených predmetov. Napríklad, keď sa pozrieme na vysokoteplotnú zliatinu GH4169, vytlačené diely majú o niečo nižšiu pevnosť v ťahu a medzu klzu ako kované diely, ale predĺženie pri pretrhnutí a zmrštenie prierezu sú oveľa horšie. Po bežnom tepelnom spracovaní (žíhanie na odľahčenie a homogenizačné žíhanie) jeho pevnosť v ťahu pri izbovej teplote a vysokých teplotách spĺňa alebo prekračuje normy pre kovanie. Jeho odolnosť pri vysokých-teplotách je tiež lepšia ako u kovaných dielov.
Rozdiely vo výkonnosti sú uvedené v:
Zvýšenie pevnosti: Proces kalenia vytvára martenzitickú štruktúru jej rýchlym ochladením, čo ju robí oveľa ťažšou. Napríklad po kalení sa pevnosť v ťahu tlačených dielov vyrobených z niklovej-vysokoteplotnej{2}}zliatiny na báze niklu zvýši zo 460 MPa na 585 MPa.
Lepšia húževnatosť: Temperovanie sa môže zbaviť uhasenia stresu a urobiť veci tvrdšími. Napríklad po kalení a popúšťaní pri 550 stupňoch sa rázová húževnatosť tlačenej časti hriadeľa prevodovky automobilu zvýšila z 15 J/cm² na 35 J/cm².
Optimalizácia únavového výkonu: Tepelné spracovanie môže vyriešiť problémy vo vnútri materiálu a spomaliť šírenie únavových trhlín. Po tepelnom spracovaní je únavová životnosť tlačených dielov GH4169 pri 650 stupňoch o 20 % dlhšia ako u kovaných dielov.
3. Rozmerová stabilita: od ohybu až po presné zaistenie
Kovové 3D tlačené diely môžu po vytlačení zmeniť veľkosť v dôsledku uvoľnenia zvyškového napätia alebo zmien v mikroštruktúre. To môže sťažiť ich správne zostavenie. Tepelné spracovanie môže výrazne zlepšiť rozmerovú stabilitu tým, že sa mikroštruktúra stane stabilnejšou a zbaví sa napätia.
Menšia deformácia: Žíhanie môže znížiť rozdiel v koeficiente tepelnej rozťažnosti medzi časťami a znížiť deformáciu obrábania. Napríklad odchýlka priemeru vytlačenej časti komplexného výmenníka tepla s prietokovým kanálom sa po žíhaní zvýšila z ± 0,15 mm na ± 0,05 mm.
Dlhodobá-stabilita: Ošetrenie starnutím môže zbaviť presýtené tuhé roztoky v materiáloch a zabrániť tomu, aby sa ich veľkosť časom príliš menila. Napríklad po starnutí pri 170 stupňoch počas 8 hodín miera zmeny veľkosti tlačených dielov z hliníkovej zliatiny klesla z 0,3 % za rok na 0,05 % za rok.
Prispôsobenie komplikovaných štruktúr: Tepelné spracovanie môže pomôcť zabrániť hromadeniu napätia počas spracovania zložitých štruktúr, ako sú tenkostenné a porézne štruktúry. Po dvojnásobnom žíhaní (700 stupňov × 2 h + 500 stupeň × 4 h) stúpla medza únavy ortopedických implantátov z titánovej zliatiny zo 450 MPa na 600 MPa, čo v priebehu času postačuje na udržanie hmotnosti tela.
4. Špeciálne požiadavky na výkon: Univerzálny až prispôsobený Prielom: Tepelné spracovanie môže tiež poskytnúť kovovým 3D tlačeným objektom jedinečné vlastnosti, vďaka čomu sú užitočné vo viacerých situáciách.
Vylepšená odolnosť proti korózii: Ošetrenie tuhým roztokom môže rozpustiť druhú fázu v materiáli, čo znižuje pravdepodobnosť korózie elektrochemickými prostriedkami. Napríklad po ošetrení roztokom pri 1050 stupňoch sa potenciál jamkovej korózie tlačených komponentov z nehrdzavejúcej ocele 316L zvýšil z 320 mV na 450 mV, čo je dobré na použitie v námorných podmienkach.
Kontrola magnetických vlastností: Tepelné spracovanie môže zmeniť orientáciu zŕn a zvyškové napätie mäkkých magnetických materiálov, aby sa zlepšili ich magnetické vlastnosti. Napríklad po zahriatí na 750 stupňov sa magnetická permeabilita danej časti solenoidového ventilu zvýši o 20 % a množstvo použitej energie sa zníži o 15 %.
Zlepšenie biokompatibility: Lekárske implantáty je potrebné zahriať, aby sa zbavili povrchových nečistôt a vytvorili pasivačný film. Napríklad drsnosť povrchu Ra ortopedických implantátov z titánovej zliatiny sa po premytí kyselinou a žíhaní pri 500 stupňoch zvýšila z 3,2 μm na 0,8 μm a rýchlosť, ktorou sa bunky prilepili na implantáty, sa zvýšila o 40 %.
5. Prípadová štúdia: Tepelné spracovanie môže výrazne zlepšiť vlastnosti zliatiny CuCrZr spôsobom, ktorý sa neočakáva.
Pretože má zliatinu CuCrZr veľkú vodivosť a mechanické vlastnosti, často sa používa v častiach leteckých motorov. Je však ťažké a nákladné vytvoriť komplikované štruktúry pomocou typických metód spracovania. Zliatina CuCrZr vyrobená technikou SLM je pomerne pevná (medza klzu 411 MPa), ale nie veľmi dobrá vo vedení elektriny (31 % IACS). Po hodinovom zahrievaní na 500 stupňov sa jeho pevnosť v ťahu zvýšila na 585 MPa a jeho vodivosť sa zvýšila na 64 % IACS. Je to podobné tomu, ako dobre fungujú typické upravené zliatiny. Tento scenár ukazuje, že tepelné spracovanie je dôležitým krokom k maximálnemu využitiu kovových 3D tlačových materiálov.