Onko metallisten 3D-tulostettujen osien suorituskyvyssä merkittävää eroa ennen lämpökäsittelyä ja sen jälkeen?

1. Mikrorakenne: laadun muutos virheistä tiheyteen
Metallisessa 3D-tulostusprosessissa materiaalia kuumennetaan ja jäähdytetään nopeasti, mikä aiheuttaa paljon pieniä vikoja esineiden sisälle. Esimerkiksi laserjauhepetisulatusmenetelmässä (LPBF) sulaallas jäähtyy nopeasti, jolloin muodostuu karkeita pylväskiteitä, joissa on suuritiheyksisiä dislokaatioita ja mikrohuokosia raerajoilla. Nämä viat eivät ainoastaan ​​pienennä materiaalin tiheyttä (tyypillisesti 98–99,5 %), vaan aiheuttavat myös halkeamia, mikä tekee osista heikompia mekaanisten ominaisuuksiensa suhteen.
Lämpökäsittely parantaa mikrorakennetta seuraavasti:
Tiivistys: Hot isostatic puristus (HIP) -käsittely toimii korkeassa lämpötilassa (tyypillisesti 0,7-0,9 kertaa materiaalin sulamispiste) ja korkealla paineella (100-200 MPa) sulkeakseen osan sisäiset huokoset ja mikrohalkeamat. Esimerkiksi HIP-käsittelyn jälkeen korkean lämpötilan metalliseososien tiheys tietyssä lentokoneessa laski 99,2 %:sta 99,99 %:iin ja osat saattoivat kestää viisi kertaa pidempään ennen kuin ne hajosivat.
Rakeen jalostaminen: Hehkutuksen aikana tapahtuva uudelleenkiteytysprosessi voi pienentää raekokoa. Esimerkiksi alumiiniseoksesta painettujen osien hehkuttaminen 350 asteessa 2 tunnin ajan pienentää raekokoa 100 μm:stä 20 μm:iin ja lisää myötörajaa 15 %.
Vaiheenmuutoksen hallinta: Kun karkaiset ja karkaiset terästä, voit tehdä kaksivaiheisen rakenteen, joka koostuu martensiitista ja jäännösausteniitista. Esimerkiksi 1050 asteessa karkaisun ja 200 asteen karkaisun jälkeen muottiteräksestä painettujen osien kovuus saavuttaa 58HRC:n, ja ne kestävät kolme kertaa paremmin kulutusta kuin käsittelemättömät osat.
2, Mekaaniset ominaisuudet: muuttuu hauraasta vahvaksi
Lämpökäsittely on erittäin tärkeää metallisten 3D-tulostettujen esineiden mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi. Esimerkiksi korkean lämpötilan metalliseosta GH4169 tarkasteltaessa painetuilla osilla on hieman pienempi vetolujuus ja myötölujuus kuin taotuilla osilla, mutta murtovenymä ja poikkileikkauksen{4}}kutistuminen ovat paljon huonompia. Rutiininomaisen lämpökäsittelyn (jännityksenpoistohehkutus ja homogenisointihehkutus) jälkeen sen vetoominaisuudet huoneenlämmössä ja korkeissa lämpötiloissa täyttävät tai ylittävät taontanormit. Sen korkeiden lämpötilojen-kestävyys on myös parempi kuin taotuilla osilla.
Suorituskyvyn erot näkyvät seuraavassa:
Lujuuden lisääminen: Karkaisuprosessi tekee martensiittisen rakenteen jäähdyttämällä sen nopeasti, mikä tekee siitä paljon kovempaa. Esimerkiksi nikkeli-pohjaisesta korkean lämpötilan{2}}lejeeringistä valmistettujen painettujen osien vetolujuus kohoaa karkaisun jälkeen 460 MPa:sta 585 MPa:iin.
Parempi sitkeys: Karkaisu voi päästä eroon stressin vaimentamisesta ja tehdä asioista kovempia. Esimerkiksi 550 asteen karkaisun ja karkaisun jälkeen auton voimansiirtoakselin painetun osan iskunkestävyys nousi arvosta 15 J/cm² arvoon 35 J/cm².
Väsymissuorituskyvyn optimointi: Lämpökäsittely voi korjata materiaalin sisällä olevia ongelmia ja hidastaa väsymishalkeamien leviämistä. Lämpökäsittelyn jälkeen GH4169 painettujen osien väsymisikä 650 asteessa on 20 % pidempi kuin taottujen osien.
3. Mittojen vakaus: taivutuksesta tarkkaan varmuuteen
Metalliset 3D-painetut osat voivat muuttaa kokoa tulostuksen jälkeen jäännösjännityksen vapautumisen tai mikrorakenteen muutosten vuoksi. Tämä saattaa vaikeuttaa niiden yhdistämistä oikein. Lämpökäsittelyllä voidaan merkittävästi parantaa mittapysyvyyttä tekemällä mikrorakenteesta vakaampi ja päästämällä eroon jännityksestä.
Vähemmän muodonmuutoksia: Hehkutus voi vähentää lämpölaajenemiskertoimen eroa osien välillä ja vähentää koneistuksen muodonmuutoksia. Esimerkiksi monimutkaisen virtauskanavalämmönvaihtimen painetun osan halkaisijapoikkeama meni ± 0,15 mm:stä ± 0,05 mm:iin hehkutuksen jälkeen.
Pitkän-stabiilisuus: Vanhenemiskäsittely voi päästä eroon materiaalien ylikyllästyneestä kiinteästä liuoksesta ja estää niiden koon muuttumisen liikaa ajan myötä. Esimerkiksi 170 asteessa 8 tunnin vanhentamisen jälkeen painettujen alumiiniseososien koonmuutosnopeus laski 0,3 %:sta vuodessa 0,05 %:iin vuodessa.
Monimutkaisten rakenteiden mukauttaminen: Lämpökäsittely voi auttaa estämään jännityksen kertymistä monimutkaisten rakenteiden, kuten ohutseinäisten ja huokoisten rakenteiden käsittelyn aikana. Kaksinkertaisen hehkutuksen jälkeen (700 astetta × 2h + 500 astetta × 4h) titaaniseoksesta valmistettujen ortopedisten implanttien väsymisraja nousi 450 MPa:sta 600 MPa:iin, mikä riittää tukemaan kehon painoa ajan myötä.
4. Erityiset suorituskykyvaatimukset: Yleismaailmallisesta räätälöityyn läpimurto: Lämpökäsittely voi myös tarjota metallista 3D-tulostetuille esineille ainutlaatuisia ominaisuuksia, mikä tekee niistä hyödyllisiä useammissa tilanteissa.
Parempi korroosionkestävyys: Kiinteäliuoskäsittely voi liuottaa materiaalin toisen faasin, mikä vähentää sen syöpymistä sähkökemiallisten keinojen kautta. Esimerkiksi 1050 asteen liuoksella käsittelyn jälkeen 316 litran ruostumattomasta teräksestä painettujen komponenttien pistesyvyys nousi 320 mV:sta 450 mV:iin, mikä on hyvä käytettäväksi meriolosuhteissa.
Magneettisten ominaisuuksien hallinta: Lämpökäsittely voi muuttaa pehmeiden magneettisten materiaalien rakeiden suuntausta ja jäännösjännitystä parantaakseen niiden magneettisia ominaisuuksia. Esimerkiksi 750 asteeseen lämmittämisen jälkeen solenoidiventtiilin tietyn osan magneettinen permeabiliteetti kasvaa 20 % ja käytetyn energian määrä laskee 15 %.
Biologisen yhteensopivuuden parantaminen: Lääketieteellisiä implantteja on lämmitettävä, jotta ne pääsevät eroon pinnan epäpuhtauksista ja muodostavat passivointikalvon. Esimerkiksi titaaniseoksesta valmistettujen ortopedisten implanttien pinnan karheus Ra laski 3,2 μm:stä 0,8 μm:iin happopesun ja 500 asteen lämpökäsittelyn jälkeen, ja nopeus, jolla solut tarttuivat implantteihin, nousi 40 %.
5. Tapaustutkimus: Lämpökäsittely voi parantaa CuCrZr-seoksen ominaisuuksia huomattavasti odottamattomalla tavalla.
Koska CuCrZr-lejeeringillä on hyvä johtavuus ja mekaaniset ominaisuudet, sitä käytetään usein lentokoneiden moottoreiden osissa. Monimutkaisten rakenteiden valmistaminen tyypillisillä prosessointimenetelmillä on kuitenkin vaikeaa ja kallista. SLM-tekniikalla valmistettu CuCrZr-seos on melko vahva (myötölujuus 411 MPa), mutta ei kovin hyvä sähköä johtamaan (31 % IACS). Kun sitä oli kuumennettu 500 asteeseen tunnin ajan, sen vetolujuus nousi 585 MPa:iin ja sen johtavuus nousi 64 %:iin IACS. Tämä on samanlaista kuin tyypilliset käsitellyt seokset toimivat. Tämä skenaario osoittaa, että lämpökäsittely on tärkeä askel pyrittäessä saamaan kaikki irti metallisista 3D-tulostusmateriaaleista.