Može li termička obrada poboljšati čvrstoću metalnih 3D štampanih dijelova?

1. Principi tehnologije termičke obrade: promjena mikrostrukture u makroskopska svojstva
Zagrijavanjem, izolacijom, hlađenjem i drugim stvarima, termička obrada modificira kristalnu strukturu, fazni sastav i raspodjelu kvarova metalnih materijala, što poboljšava njihova mehanička svojstva. Najvažnija stvar kod termičke obrade metalnih 3D štampanih predmeta je:
Uklanjanje rezidualnog stresa
Tokom 3D štampanja, materijali prolaze kroz brze cikluse topljenja i stvrdnjavanja, što ostavlja zaostala naprezanja unutar komponenti. Ova naprezanja mogu uzrokovati savijanje, lomljenje ili kvar dijelova od zamora. Terapija žarenjem je zagrijavanje dijelova iznad temperature na kojoj mogu rekristalizirati, a zatim njihovo polagano hlađenje. To može učiniti da se zrna oporave i rekristaliziraju, što oslobađa naprezanje unutar dijelova. Na primjer, željeznička tranzitna kompanija u Zhuzhouu koristila je vakuumsko žarenje za pripremu SLM-štampanih dijelova prijenosa od legure titanijuma. Ovo je smanjilo zaostalo naprezanje na 30% originalne vrijednosti i učinilo dijelove mnogo stabilnijim u veličini.
Rafiniranje i miješanje žitarica
Kada se 3D štampani komadi ohlade prebrzo, mogu dobiti gruba zrna i neujednačenu orijentaciju, što čini materijal slabijim. Podešavanjem brzine hlađenja, normalizacijski tretman može učiniti veličinu zrna 50% do 70% manjom nego što je bila prije, a također može zaustaviti segregaciju komponenti. U vazduhoplovnoj industriji, na primjer, normalizirajući tretman se često koristi za poboljšanje strukture zrna Inconel 718 visokotemperaturnih legura, što povećava njihovu granicu tečenja za 15% do 20%.
Padavine tokom faze jačanja
Manipulirajući temperaturom i vremenom, tretman starenjem potiče atome otopljenih tvari da se spoje kako bi stvorili distribuirane faze jačanja (kao što su faza i faza), što materijal čini mnogo tvrđim. Tim na Univerzitetu Monash u Australiji ostario je Beta-C leguru titanijuma koju je štampao SLM na 480 stepeni. Konačna vlačna čvrstoća bila je 1611 MPa, što je novi rekord za specifičnu čvrstoću 3D štampanih metala. Mehanizam jačanja je stvaranje nano blizanaca visoke gustine-precipitata.
Potpuna kontrola mehaničkih performansi
Proces kaljenja i otpuštanja (kaljenje s kaljenjem na visokim-temperaturama) koristi martenzitnu transformaciju i omekšavanje pri kaljenju kako bi se pronašao balans između visoke čvrstoće i dobre žilavosti u dijelovima. Nakon kaljenja i temperiranja, nehrđajući čelik 17-4PH proizveden od strane SLM-a ima vlačnu čvrstoću od 1035MPa, granicu tečenja od 860MPa i izduženje od otprilike 10%. To ga čini dovoljno jakim za strukturne dijelove koji moraju izdržati veliku težinu.
2. Industrijska praksa: Nove upotrebe za toplinsku obradu u važnim područjima
Oblast vazduhoplovstva
Lopatice motora aviona, komore za sagorevanje i drugi delovi moraju biti u stanju da podnesu veoma visoke temperature, pritiske i naprezanja. To znači da materijali koji se koriste za njihovu izradu moraju biti vrlo jaki. GE Aviation štampa Inconel 718 mlaznice za gorivo koristeći SLM tehnologiju. Zatim koriste vruće izostatičko presovanje (HIP) i tretman starenja rastvora kako bi se oslobodili unutrašnjih pora (gustina veća ili jednaka 99,9%), što čini delove 40% jačim na 650 stepeni. Dobro je funkcionisao za izradu mnogo LEAP motora.
Oblast medicinskih uređaja
Važno je da ortopedski implantati budu jaki i sigurni za tijelo. Johnson & Johnson Medical je napravio Ti6Al4V zglobove kuka koristeći SLM, a zatim koristio vakuumsko žarenje kako bi se riješio površinskog zaostalog naprezanja. Hemijsko poliranje je također korišteno da se izgladi površina do Ra0,8 μm, što je utrostručilo vijek trajanja implantata i zadovoljilo dugoročne-kliničke potrebe.
Područje željezničkog tranzita
SLM koristi kompanija iz Zhuzhoua za štampanje delova za transmisije od legure titanijuma. Vlačna čvrstoća dijelova je 850MPa, tvrdoća je HRC35, unutrašnja gustoća je 99,8%, tačnost dimenzija je ± 0,03mm, a vijek trajanja dijelova je 50% duži od onih kod tradicionalnih dijelova za livenje. To je zato što su parametri lasera (snaga 300W, brzina skeniranja 1200mm/s) optimizirani i dijelovi su obrađeni vakuumskim žarenjem.