Kan varmebehandling forbedre styrken af ​​metal 3D-printede dele?

1. Principperne for varmebehandlingsteknologi: ændring af mikrostrukturen til makroskopiske egenskaber
Ved at opvarme, isolere, afkøle og gøre andre ting ændrer varmebehandlingen krystalstrukturen, fasesammensætningen og fejlfordelingen af ​​metalmaterialer, hvilket forbedrer deres mekaniske egenskaber. Det vigtigste ved varmebehandling af 3D-printede metalobjekter er:
Lindring af resterende stress
Under 3D-print gennemgår materialer hurtige cyklusser af smeltning og størkning, hvilket efterlader resterende spændinger inde i komponenterne. Disse spændinger kan få delene til at bøje, knække eller svigte på grund af træthed. Udglødningsterapi er at opvarme delene over den temperatur, hvorved de kan omkrystallisere, og derefter langsomt afkøle dem. Dette kan få kornene til at komme sig og omkrystallisere, hvilket udleder stress inde i delene. For eksempel brugte et jernbanetransitfirma i Zhuzhou vakuumudglødning til at forberede SLM-trykte transmissionsdele i titanlegering. Dette reducerede restspændingen til 30 % af den oprindelige værdi og gjorde delene meget mere stabile i størrelse.
Raffinering og blanding af korn
Når 3D-printede stykker afkøles for hurtigt, kan de få grove korn og en ujævn orientering, hvilket gør materialet svagere. Ved at justere afkølingshastigheden kan normaliseringsbehandlingen gøre kornstørrelsen 50 % til 70 % mindre, end den var før, og den kan også stoppe komponentadskillelse. I luft- og rumfartsindustrien bruges f.eks. normaliseringsbehandling ofte til at forbedre kornstrukturen af ​​Inconel 718 høj-legeringsdele, hvilket øger deres flydespænding med 15 % til 20 %.
Nedbør i forstærkningsfasen
Ved at manipulere temperatur og tid tilskynder ældningsbehandlingen til, at opløste atomer samles for at skabe fordelte forstærkningsfaser (sådan fase og fase), som gør materialet meget hårdere. Holdet på Monash University i Australien ældede Beta-C-titanium-legeringen trykt af SLM ved 480 grader. Den endelige trækstyrke var 1611 MPa, hvilket er en ny rekord for den specifikke styrke af 3D-printede metaller. Den forstærkende mekanisme er skabelsen af-nano-tvillingudfældninger med høj tæthed.
Fuld kontrol over mekanisk ydeevne
Processen med quenching og temperering (quenching med høj-temperaturtempering) bruger martensitisk transformation og tempereringsblødgøring for at finde en balance mellem høj styrke og god sejhed i dele. Efter at være blevet bratkølet og hærdet, har 17-4PH rustfrit stål produceret af SLM en trækstyrke på 1035MPa, en flydespænding på 860MPa og en forlængelse på ca. 10 %. Dette gør den stærk nok til strukturelle dele, der skal holde en masse vægt.
2. Industriel praksis: Nye anvendelser til varmebehandling på vigtige områder
Området for rumfart
Flymotorblade, forbrændingskamre og andre dele skal kunne håndtere meget høje temperaturer, tryk og belastninger. Det betyder, at de materialer, der bruges til at fremstille dem, skal være meget stærke. GE Aviation udskriver Inconel 718 brændstofdyser ved hjælp af SLM-teknologi. De anvender derefter varm isostatisk presning (HIP) og opløsningsældningsbehandling for at slippe af med indre porer (densitet større end eller lig med 99,9%), hvilket gør delene 40% stærkere ved 650 grader. Det har fungeret godt til at lave mange LEAP-motorer.
Område for medicinsk udstyr
Det er vigtigt for ortopædiske implantater at være stærke og sikre for kroppen. Johnson & Johnson Medical lavede Ti6Al4V hofteled ved hjælp af SLM og brugte derefter vakuumudglødning for at slippe af med resterende overfladespænding. Kemisk polering blev også brugt til at udglatte overfladen til Ra0,8 μm, hvilket tredoblede implantatets træthedslevetid og dækkede langsigtede kliniske behov.
Område for jernbanetransit
SLM bruges af en virksomhed i Zhuzhou til at printe dele til transmissioner i titanlegeringer. Trækstyrken af ​​delene er 850 MPa, hårdheden er HRC35, den indre tæthed er 99,8%, dimensionsnøjagtigheden er ± 0,03 mm, og delenes levetid er 50% længere end traditionelle støbedele. Dette skyldes, at laserparametrene (effekt 300W, scanningshastighed 1200mm/s) blev optimeret, og delene blev behandlet med vakuumudglødning.