Prečo je potrebné tepelné spracovanie po kovovej 3D tlači?

1. Zbavenie sa zvyškového napätia je kľúčom k zastaveniu deformácie a praskania.
Počas procesu 3D tlače kovu materiál prechádza rýchlymi cyklami zahrievania a chladenia, čo zanecháva vo výrobkoch zvyškové napätie. Napríklad pri procese tavenia laserového prášku (LPBF) sa tavný bazén rýchlo ochladí, čo môže spôsobiť namáhanie okolitého kovu, ktorý sa ešte neroztopil. Diel sa môže ohnúť, prasknúť alebo prekročiť limit veľkosti, ak je napätie pre materiál príliš vysoké. Napríklad lopatky leteckých motorov z titánovej zliatiny majú tenké steny. Ak nie sú po vytlačení tepelne{5}}spracované, zvyškové napätie môže spôsobiť, že sa počas spracovania alebo používania neočakávane zlomia, čo by bolo veľmi nebezpečné.
Žíhanie na zníženie napätia a iné metódy tepelného spracovania dokážu veľmi dobre zbaviť zvyškového napätia. Počas procesu žíhania sa kusy zahrejú na teplotu pod bodom rekryštalizácie (zvyčajne 50 % až 70 % bodu topenia materiálu), udržiavajú sa tam po stanovenú dobu a potom sa postupne ochladzujú. V tomto čase sa preusporiadajú vnútorné dislokácie materiálu, zrná sa zotavia a rekryštalizujú a napätie sa uvoľní. Napríklad špecifický druh kotúča turbíny bol žíhaný pri 650 stupňoch počas 4 hodín, čím sa znížilo zvyškové napätie z 320 MPa na 80 MPa a deformácia o 90 %. Tým sa zabezpečilo, že obrábanie bude presné.
2. Zlepšenie mikroštruktúry: celkovo lepšie fungujú materiály
Rýchle tuhnutie kovovej 3D tlače môže spôsobiť drsnú mikroštruktúru a segregáciu zloženia, čo môže poškodiť výkon dielov. Napríklad nehrdzavejúca oceľ 316L s potlačou LPBF- môže mať hrubé stĺpcovité kryštály a jej odolnosť proti únave je o 40 % nižšia ako u kovanej ocele. Tepelné spracovanie môže zlepšiť fungovanie vďaka kontrole mikroštruktúry:
Zjemnenie zŕn: Počas žíhania môže proces rekryštalizácie zmenšiť zrná. 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 %.
Riadenie zmeny fázy: Keď kalíte a popúšťate oceľ, môžete vytvoriť dvojfázovú{0}} štruktúru pozostávajúcu z martenzitu a zvyškového austenitu. Napríklad tvrdosť lisovaných oceľových komponentov po ochladení na 1050 stupňov a popustení na 200 stupňov stúpa až na 58 HRC. Odolnosť proti opotrebovaniu je trikrát vyššia ako u častí, ktoré neboli ošetrené.
Zbavenie sa nedostatkov: Synergické pôsobenie vysokej teploty (zvyčajne 0,7 – 0,9-násobok bodu topenia materiálu) a vysokého tlaku (100 – 200 MPa) pri spracovaní izostatickým lisovaním za tepla (HIP) môže uzavrieť vnútorné otvory a mikrotrhliny v častiach. Po spracovaní HIP hustota vysokoteplotných zliatinových dielov pre určitý letecký motor vzrástla z 99,2 % na 99,99 % a diely vydržali 5-krát dlhšie.
3. Splňte vysoké-štandardy pevnosti na zlepšenie mechanického výkonu.
Mechanické vlastnosti kovových 3D tlačených predmetov často nie sú také dobré ako tie, ktoré sa vyrábajú tradičnými metódami. Tepelné spracovanie ich však môže urobiť oveľa pevnejšími, tvrdšími a odolnejšími.
Spracovanie kalením vytvára martenzitickú štruktúru jej rýchlym ochladením, čo ju robí oveľa ťažšou. Napríklad pevnosť v ťahu tlačených dielov vyrobených z niklovej-vysokoteplotnej{2}}zliatiny sa zvýšila z 850 MPa na 1200 MPa po kalení pri 1120 stupňoch .
Lepšia húževnatosť: Temperovanie sa môže zbaviť uhasenia stresu a urobiť veci tvrdšími. Napríklad po kalení a temperovaní pri 550 stupňoch sa rázová húževnatosť tlačenej časti hriadeľa prevodovky automobilu zmenila z 15 J/cm² na 35 J/cm², čo spĺňalo bezpečnostné normy pre kolízie.
Maximalizácia únavového výkonu: Tepelné spracovanie môže výrazne predĺžiť životnosť materiálu riadením jeho mikroštruktúry a zvyškového napätia. Napríklad dvojnásobné žíhanie (700 stupňov počas 2 hodín a 500 stupňov počas 4 hodín) zvýšilo medzu únavy ortopedických implantátov z titánovej zliatiny zo 450 MPa na 600 MPa, čo je dostatočné na udržanie dlhodobej hmotnosti tela-.
4. Uistite sa, že rozmery zostanú stabilné: dodržujte normy pre presnú montáž.
Po vytlačení môžu kovové 3D vytlačené kusy zmeniť veľkosť v dôsledku uvoľnenia zvyškového napätia alebo zmien v mikroštruktúre. To môže sťažiť ich správne poskladanie. Tepelné spracovanie môže výrazne zlepšiť rozmerovú stabilitu stabilizáciou mikroštruktúry a odstránením napätia.
Nižšia deformácia: Spracovanie žíhaním môže znížiť rozdiel v koeficiente tepelnej rozťažnosti medzi časťami a nižšiu deformáciu pri obrábaní. Napríklad po žíhaní sa odchýlka priemeru vytlačeného dielu pre komplexný výmenník tepla s prietokovým kanálom znížila z ± 0,15 mm na ± 0,05 mm, čo spĺňalo normy pre tesniace kvapaliny.
Stabilita v priebehu času: Umelé starnutie a iné spôsoby starnutia môžu zbaviť presýtené tuhé roztoky v materiáloch a zabrániť im, aby časom príliš menili veľkosť. Napríklad miera zmeny veľkosti tlačených dielov z hliníkovej zliatiny klesla z 0,3 % za rok na 0,05 % za rok po starnutí pri teplote 170 stupňov počas 8 hodín. To splnilo-dlhodobé servisné potreby letectva.
5. Splnenie jedinečných potrieb výkonu: rozšírenie rozsahu použitia
Tepelné spracovanie môže tiež poskytnúť špecifické vlastnosti kovových 3D tlačených predmetov, vďaka čomu sú užitočné na viacerých miestach:
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 zmenil z 320 mV na 450 mV, čo je dobré na použitie v námorných podmienkach.
Riadenie magnetických charakteristík: 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 energie, ktorú spotrebuje, sa zníži o 15 %.
Zlepšenie biokompatibility: Lekárske implantáty je potrebné zahriať, aby sa zbavili povrchových nečistôt a vytvorili pasivačný film. Napríklad po premytí kyselinou a žíhaní pri 500 stupňoch sa drsnosť povrchu Ra ortopedických implantátov z titánovej zliatiny zvýšila z 3,2 μm na 0,8 μm a rýchlosť adhézie buniek sa zvýšila o 40 %.