Er der en signifikant forskel i ydeevnen af ​​metal 3D-printede dele før og efter varmebehandling?

1. Mikrostruktur: en ændring i kvalitet fra fejl til tæthed
Metal 3D-printprocessen involverer hurtig opvarmning og afkøling af materialet, hvilket medfører, at der opstår en masse små fejl inde i genstandene. For eksempel i laserpulverbedsmeltningsmetoden (LPBF) afkøles smeltebassinet hurtigt, hvilket laver grove søjleformede krystaller med dislokationer med høj-densitet og mikroporer ved korngrænserne. Disse fejl sænker ikke kun materialets tæthed (typisk 98%-99,5%), men de forårsager også dannelse af revner, hvilket gør delene svagere i forhold til deres mekaniske kvaliteter.
Varmebehandling forbedrer mikrostrukturen ved at gøre følgende:
Fortætning: Varm isostatisk presning (HIP)-behandling virker med høj temperatur (typisk 0,7-0,9 gange materialets smeltepunkt) og højt tryk (100-200MPa) for at lukke delens indre porer og mikrorevner. For eksempel, efter HIP-behandling, gik tætheden af ​​højtemperaturlegeringsdele til en bestemt flymotor fra 99,2 % til 99,99 %, og delene kunne holde fem gange længere, før de bryder sammen.
Raffinering af korn: Processen med omkrystallisation under udglødning kan gøre kornstørrelsen mindre. For eksempel reducerer udglødning af trykte dele af aluminiumslegering ved 350 grader i 2 timer kornstørrelsen fra 100 μm til 20 μm og øger flydespændingen med 15 %.
Kontrol af faseændring: Når du bratkøler og hærder stål, kan du lave en dobbeltfasestruktur bestående af martensit og restaustenit. For eksempel, efter at være blevet bratkølet ved 1050 grader og hærdet ved 200 grader, når hårdheden af ​​støbestål trykte dele 58HRC, og de er tre gange mere modstandsdygtige over for slid end ubehandlede dele.
2, Mekaniske egenskaber: går fra at være skrøbelig til at være stærk
Varmebehandling er meget vigtig for at gøre de mekaniske egenskaber af metal 3D-printede emner bedre. For eksempel, når man ser på den høje-temperaturlegering GH4169, har de trykte dele en lidt lavere trækstyrke og flydespænding end de smedede dele, men forlængelsen ved brud og tværsnitskrympningen er meget værre. Efter rutinemæssig varmebehandling (afspændingsudglødning og homogeniseringsudglødning) opfylder eller overgår dens trækegenskaber ved stuetemperatur og høje temperaturer normerne for smedning. Dens høje-temperaturholdbarhed er også overlegen end smedede dele.
Forskellene i ydeevne er vist i:
Styrkeforbedring: Slukningsproceduren laver en martensitisk struktur ved at køle den hurtigt ned, hvilket gør den meget sværere. For eksempel, efter bratkøling, stiger trækstyrken af ​​trykte dele lavet af nikkel-baseret høj-temperaturlegering fra 460 MPa til 585 MPa.
Bedre sejhed: Tempering kan slippe af med slukningsstress og gøre tingene hårdere. For eksempel, efter bratkøling og temperering ved 550 grader, steg slagstyrken af ​​et trykt afsnit af en bils transmissionsaksel fra 15J/cm² til 35J/cm².
Optimering af træthedsydelse: Varmebehandling kan løse problemer inde i materialet og bremse spredningen af ​​træthedsrevner. Efter varmebehandling er udmattelsestiden for GH4169 trykte dele ved 650 grader 20 % længere end for smedede dele.
3. Dimensionsstabilitet: fra bøjning til nøjagtig sikkerhed
Metal 3D-printede dele kan ændre størrelse efter udskrivning på grund af resterende spændingsfrigivelse eller ændringer i mikrostrukturen. Dette kan gøre det sværere at sætte dem korrekt sammen. Varmebehandling kan i høj grad forbedre dimensionsstabiliteten ved at gøre mikrostrukturen mere stabil og slippe af med stress.
Mindre deformation: Udglødning kan gøre forskellen i termisk udvidelseskoefficient mellem dele mindre og gøre bearbejdningsdeformation mindre. For eksempel gik diameterafvigelsen af ​​et trykt afsnit af en kompleks strømningskanal varmeveksler fra ± 0,15 mm til ± 0,05 mm efter udglødning.
Langsigtet-stabilitet: Ældningsbehandling kan slippe af med overmættede faste opløsninger i materialer og forhindre, at deres størrelse ændres for meget over tid. For eksempel, efter at være blevet ældet ved 170 grader i 8 timer, faldt størrelsesændringsraten for trykte aluminiumslegeringsdele fra 0,3 % pr. år til 0,05 % pr. år.
Tilpasning af komplicerede strukturer: Varmebehandling kan hjælpe med at forhindre akkumulering af stress under bearbejdning af komplekse strukturer som tynde-væggede og porøse strukturer. Efter dobbelt udglødning (700 grader × 2 timer + 500 grader × 4 timer), steg træthedsgrænsen for ortopædiske implantater af titanlegering fra 450 MPa til 600 MPa, hvilket er nok til at understøtte kroppens vægt over tid.
4. Særlige præstationskrav: Universelt til tilpasset gennembrud: Varmebehandling kan også give 3D-printede metalobjekter unikke kvaliteter, hvilket gør dem nyttige i flere situationer.
Forbedret modstandsdygtighed over for korrosion: Behandling med fast opløsning kan opløse den anden fase i materialet, hvilket gør det mindre sandsynligt, at det korroderer gennem elektrokemiske midler. For eksempel, efter at være blevet behandlet med en opløsning ved 1050 grader, steg pitpotentialet for 316L rustfrit stål trykte komponenter fra 320mV til 450mV, hvilket er godt til brug under maritime forhold.
Kontrol af magnetiske egenskaber: Varmebehandling kan ændre kornorienteringen og resterende spænding af bløde magnetiske materialer for at forbedre deres magnetiske egenskaber. For eksempel, efter at være blevet opvarmet til 750 grader, stiger den magnetiske permeabilitet af en given del af en magnetventil med 20 %, og mængden af ​​brugt energi falder med 15 %.
Forbedring af biokompatibilitet: Medicinske implantater skal opvarmes for at slippe af med overfladeforurenende stoffer og lave en passiveringsfilm. For eksempel gik overfladeruheden Ra på ortopædiske implantater af titanlegering fra 3,2 µm til 0,8 µm efter syrevask og udglødning ved 500 grader, og hastigheden, hvormed celler satte sig fast på implantaterne, steg med 40 %.
5. Et casestudie: Varmebehandling kan gøre CuCrZr-legeringsegenskaberne meget bedre på en måde, som ikke forventes.
Fordi den har stor ledningsevne og mekaniske kvaliteter, bruges CuCrZr-legering ofte i dele af flymotorer. Det er dog svært og dyrt at lave komplicerede strukturer ved brug af typiske forarbejdningsmetoder. CuCrZr-legeringen lavet med SLM-teknik er ret stærk (flydestyrke 411MPa), men ikke særlig god til at lede elektricitet (31% IACS). Efter at være blevet opvarmet til 500 grader i en time, gik dens trækstyrke op til 585 MPa, og dens ledningsevne gik op til 64% IACS. Dette svarer til, hvor godt typiske behandlede legeringer fungerer. Dette scenarie viser, at varmebehandling er et vigtigt skridt i at få mest muligt ud af metal 3D-printmaterialer.