Miksi lämpökäsittely on välttämätöntä metallin 3D-tulostuksen jälkeen?

1. Jäännösjännityksen poistaminen on avain muodonmuutosten ja halkeilujen pysäyttämiseen.
Metallin 3D-tulostusprosessin aikana materiaali käy läpi nopeita kuumennus- ja jäähdytyskiertoja, mikä jättää tuotteisiin jäännösjännityksiä. Esimerkiksi laserjauhepetisulatusprosessissa (LPBF) sulateallas jäähtyy nopeasti, mikä saattaa rasittaa ympäröivää metallia, joka ei ole vielä sulanut. Osa voi taipua, halkeilla tai ylittää kokorajan, jos jännitys on liian suuri materiaalille. Esimerkiksi titaaniseoksesta valmistettujen lentokoneiden moottoreiden siivet ovat ohuet. Jos niitä ei lämpö-käsitetä tulostuksen jälkeen, jäännösjännitys voi aiheuttaa niiden rikkoutumisen odottamatta käsittelyn tai käytön aikana, mikä olisi erittäin vaarallista.
Jännitystä vähentävä hehkutus ja muut lämpökäsittelymenetelmät voivat päästä eroon jäännösjännityksestä erittäin hyvin. Hehkutusprosessin aikana kappaleet kuumennetaan uudelleenkiteytyspisteen alapuolelle (tyypillisesti 50-70 % materiaalin sulamispisteestä), pidetään siellä tietyn ajan ja jäähdytetään sitten asteittain. Tässä vaiheessa materiaalin sisäiset dislokaatiot järjestyvät uudelleen, rakeet palautuvat ja kiteytyvät uudelleen ja jännitys purkautuu. Esimerkiksi tietyntyyppistä turbiinilevyä hehkutettiin 650 asteessa 4 tuntia, mikä alensi jäännösjännityksen 320 MPa:sta 80 MPa:iin ja muodonmuutoksen 90 %. Tämä varmisti, että koneistus oli tarkka.
2. Mikrorakenteen parantaminen: saa materiaalit toimimaan paremmin
Metallin 3D-tulostuksen nopea jähmettyminen voi aiheuttaa karkeaa mikrorakennetta ja koostumuksellista segregaatiota, mikä voi vahingoittaa osien suorituskykyä. Esimerkiksi LPBF-painetussa ruostumattomassa 316L-teräksessä voi olla karkeita pylväskiteitä, ja sen väsymiskestävyys on 40 % pienempi kuin taotun teräksen. Lämpökäsittely voi saada asiat toimimaan paremmin ohjaamalla mikrorakennetta:
Rakeiden jalostus: Hehkutuksen aikana uudelleenkiteytysprosessi voi tehdä rakeista pienempiä. 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 muottiteräksisten painettujen komponenttien kovuus nousee 58 HRC:hen sen jälkeen, kun ne on sammutettu 1050 asteessa ja karkaistu 200 asteessa. Kulutuskestävyys on kolme kertaa suurempi kuin käsittelemättömillä osilla.
Puutteista eroon pääseminen: Korkean lämpötilan (tyypillisesti 0,7–0,9 kertaa materiaalin sulamispiste) ja korkean paineen (100–200 MPa) synergistinen vaikutus kuumaisostaattisella puristuskäsittelyllä (HIP) voi sulkea sisäisiä reikiä ja mikrohalkeamia osiin. HIP-käsittelyn jälkeen korkean lämpötilan metalliosien tiheys tietyssä lentokoneessa nousi 99,2 %:sta 99,99 %:iin ja osat kestivät viisi kertaa pidempään.
3. Täytä korkeat-lujuusstandardit parantaaksesi mekaanista suorituskykyä.
Metalliset 3D-tulostetut esineet eivät useinkaan ole yhtä hyviä kuin perinteisillä menetelmillä valmistettujen esineiden mekaaniset ominaisuudet. Lämpökäsittely voi kuitenkin tehdä niistä paljon vahvempia, kovempia ja sitkeämpiä.
Karkaisukäsittely tekee martensiittisen rakenteen jäähdyttämällä sen nopeasti, mikä tekee siitä paljon kovempaa. Esimerkiksi nikkeli-pohjaisesta korkean lämpötilan-seoksesta valmistettujen painettujen osien vetolujuus laski 850 MPa:sta 1200 MPa:iin 1120 asteen karkaisun jälkeen.
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 15 J/cm² arvoon 35 J/cm², mikä täytti törmäysturvallisuusvaatimukset.
Väsymissuorituskyvyn maksimointi: Lämpökäsittely voi pidentää materiaalin käyttöikää huomattavasti hallitsemalla sen mikrorakennetta ja jäännösjännitystä. Esimerkiksi kaksinkertainen hehkutus (700 astetta 2 tuntia ja 500 astetta 4 tuntia) nosti titaaniseoksesta valmistettujen ortopedisten implanttien väsymisrajan 450 MPa:sta 600 MPa:iin, mikä riittää tukemaan kehon pitkäkestoista{7}}painoa.
4. Varmista, että mitat pysyvät vakaina: vastaa standardeja tarkan kokoonpanon varmistamiseksi.
Tulostuksen jälkeen metalliset 3D-tulostetut kappaleet voivat muuttaa kokoa jäännösjännityksen vapautumisen tai mikrorakenteen muutosten vuoksi. Tämä voi vaikeuttaa niiden yhdistämistä oikein. Lämpökäsittely voi parantaa mittapysyvyyttä huomattavasti stabiloimalla mikrorakennetta ja poistamalla jännitystä.
Pienempi muodonmuutos: Hehkutuskäsittely voi pienentää lämpölaajenemiskertoimen eroa osien välillä ja pienempi koneistusmuodonmuutos. Esimerkiksi hehkutuksen jälkeen monimutkaisen virtauskanavan lämmönvaihtimen painetun osan halkaisijapoikkeama laski ± 0,15 mm:stä ± 0,05 mm:iin, mikä täytti tiivistysnesteiden standardit.
Stabiilisuus ajan mittaan: Keinotekoinen vanheneminen ja muut ikääntymiskäsittelyt voivat päästä eroon materiaalien ylikylläisistä kiinteistä liuoksista ja estää niitä muuttamasta kokoa liikaa ajan myötä. Esimerkiksi alumiiniseoksesta painettujen osien koon muutosnopeus putosi 0,3 %:sta vuodessa 0,05 %:iin vuodessa sen jälkeen, kun niitä oli vanhentunut 170 asteessa 8 tuntia. Tämä vastasi ilmailuteollisuuden pitkän aikavälin palvelutarpeisiin-.
5. Ainutlaatuisten suorituskykytarpeiden täyttäminen: käyttöalueen laajentaminen
Lämpökäsittely voi myös tarjota metallille 3D-tulostetuille tuotteille erityisiä ominaisuuksia, mikä tekee niistä hyödyllisiä useammissa paikoissa:
Parempi korroosionkestävyys: Kiinteäliuoskäsittely voi liuottaa materiaalin toisen faasin, mikä vähentää sen syöpymistä sähkökemiallisten keinojen kautta. Esimerkiksi 1050 asteen liuoksella käsittelyn jälkeen ruostumattomasta teräksestä valmistettujen 316 litran painettujen komponenttien pistesyötypotentiaali 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 sen käyttämä energiamäärä laskee 15 %.
Biologisen yhteensopivuuden parantaminen: Lääketieteellisiä implantteja on lämmitettävä, jotta ne pääsevät eroon pinnan epäpuhtauksista ja muodostavat passivointikalvon. Esimerkiksi 500 asteen happopesun ja hehkutuksen jälkeen titaaniseoksesta valmistettujen ortopedisten implanttien pinnan karheus Ra laski 3,2 μm:stä 0,8 μm:iin ja solujen adheesioaste nousi 40 %.