Postoji li značajna razlika u performansama metalnih 3D štampanih delova pre i posle termičke obrade?

1. Mikrostruktura: promjena kvaliteta od nedostataka do gustine
Proces metalne 3D štampe uključuje brzo zagrijavanje i hlađenje materijala, što uzrokuje mnogo sitnih nedostataka unutar predmeta. Na primjer, u metodi laserskog topljenja sloja praha (LPBF), bazen taline se brzo hladi, što stvara grube stupaste kristale sa dislokacijama velike-dislokacije i mikroporama na granicama zrna. Ovi nedostaci ne samo da smanjuju gustoću materijala (obično 98% – 99,5%), već uzrokuju i stvaranje pukotina, što čini dijelove slabijima u smislu njihovih mehaničkih kvaliteta.
Toplinska obrada poboljšava mikrostrukturu na sljedeći način:
Zgušnjavanje: Tretman vrućim izostatičkim presovanjem (HIP) radi sa visokom temperaturom (obično 0,7-0,9 puta više od tačke topljenja materijala) i visokim pritiskom (100-200MPa) kako bi se zatvorile unutrašnje pore i mikropukotine. Na primjer, nakon HIP tretmana, gustina dijelova od visokotemperaturne legure za određeni avionski motor je porasla sa 99,2% na 99,99%, a dijelovi su mogli trajati pet puta duže prije nego što se pokvare.
Rafiniranje zrna: Proces rekristalizacije tokom žarenja može smanjiti veličinu zrna. Na primer, žarenje štampanih delova aluminijumske legure na 350 stepeni tokom 2 sata smanjuje veličinu zrna sa 100 μm na 20 μm i povećava granicu tečenja za 15%.
Kontrola promjene faze: Kada kalite i otpuštate čelik, možete napraviti dvofaznu-strukturu koja se sastoji od martenzita i rezidualnog austenita. Na primjer, nakon kaljenja na 1050 stepeni i kaljenja na 200 stepeni, tvrdoća štampanih delova od kalupa dostiže 58HRC, i oni su tri puta otporniji na habanje od neobrađenih delova.
2, mehanička svojstva: od krhkog do jakog
Toplinska obrada je veoma važna za poboljšanje mehaničkih svojstava metalnih 3D štampanih predmeta. Na primjer, kada se gleda na visoko{2}}leguru GH4169, štampani dijelovi imaju malo nižu vlačnu čvrstoću i granicu tečenja od kovanih dijelova, ali su izduženje pri lomljenju i-skupljanje poprečnog presjeka mnogo lošiji. Nakon rutinske termičke obrade (žarenje za ublažavanje napona i homogenizacijsko žarenje), njegove vlačne kvalitete na sobnoj temperaturi i visokim temperaturama zadovoljavaju ili premašuju norme za kovanje. Njegova izdržljivost pri visokim{7}}temperaturama je također bolja od one kovanih dijelova.
Dispariteti u performansama su prikazani u:
Povećanje čvrstoće: Postupak kaljenja stvara martenzitnu strukturu tako što se brzo hladi, što je čini znatno težom. Na primjer, nakon kaljenja, vlačna čvrstoća štampanih dijelova izrađenih od visokotemperaturne legure na bazi nikla-povećava se sa 460MPa na 585MPa.
Bolja žilavost: kaljenje se može osloboditi stresa i učiniti stvari čvršćim. Na primjer, nakon kaljenja i temperiranja na 550 stepeni, udarna žilavost štampanog dijela osovine prijenosa automobila porasla je sa 15J/cm² na 35J/cm².
Optimiziranje performansi zamora: Toplinska obrada može riješiti probleme unutar materijala i usporiti širenje zamornih pukotina. Nakon termičke obrade, vek trajanja GH4169 štampanih delova na 650 stepeni je 20% duži od kovanih delova.
3. Dimenzijska stabilnost: od savijanja do precizne sigurnosti
Metalni 3D štampani dijelovi mogu promijeniti veličinu nakon ispisa zbog oslobađanja zaostalog naprezanja ili promjena u mikrostrukturi. To bi moglo otežati njihovo pravilno sastavljanje. Toplinska obrada može uvelike poboljšati stabilnost dimenzija čineći mikrostrukturu stabilnijom i oslobađajući se stresa.
Manje deformacija: žarenje može smanjiti koeficijent toplinskog širenja između dijelova i smanjiti deformaciju strojne obrade. Na primjer, odstupanje promjera štampanog dijela izmjenjivača topline složenog kanala protoka je nakon žarenja od ± 0,15 mm do ± 0,05 mm.
Dugoročna-stabilnost: tretman starenjem može ukloniti prezasićene čvrste otopine u materijalima i spriječiti da se njihova veličina previše mijenja tokom vremena. Na primjer, nakon odležavanja na 170 stepeni 8 sati, stopa promjene veličine štampanih dijelova od legure aluminija pala je sa 0,3% godišnje na 0,05% godišnje.
Adaptacija komplikovanih struktura: Toplinska obrada može pomoći u sprečavanju akumulacije naprezanja tokom obrade za složene strukture kao što su tanke{0}}zidne i porozne. Nakon dvostrukog žarenja (700 stepeni × 2h + 500 stepen × 4h), granica zamora ortopedskih implantata od legure titana porasla je sa 450 MPa na 600 MPa, što je dovoljno da izdrži tjelesnu težinu tokom vremena.
4. Posebni zahtjevi za performanse: Univerzalni do prilagođeni proboj: toplinska obrada također može pružiti metalnim 3D štampanim objektima jedinstvene kvalitete, što ih čini korisnim u više situacija.
Poboljšana otpornost na koroziju: Tretman čvrstim rastvorom može da rastvori drugu fazu u materijalu, što čini manju verovatnoću da će korodirati elektrohemijskim putem. Na primjer, nakon tretiranja rastvorom na 1050 stepeni, potencijal pittinga štampanih komponenti od nerđajućeg čelika 316L porastao je sa 320mV na 450mV, što je dobro za upotrebu u pomorskim uslovima.
Kontrola magnetnih svojstava: Toplinska obrada može promijeniti orijentaciju zrna i zaostali napon mekih magnetnih materijala kako bi njihove magnetske karakteristike bile bolje. Na primjer, nakon zagrijavanja na 750 stepeni, magnetska permeabilnost određenog dijela elektromagnetnog ventila raste za 20%, a količina utrošene energije opada za 15%.
Poboljšanje biokompatibilnosti: Medicinske implantate je potrebno zagrijati kako bi se riješili površinskih zagađivača i napravili pasivacijski film. Na primjer, površinska hrapavost Ra ortopedskih implantata od legure titana porasla je sa 3,2 μm na 0,8 μm nakon pranja kiselinom i žarenja na 500 stepeni, a brzina kojom su se ćelije zalijepile za implantate porasla je za 40%.
5. Studija slučaja: Toplinska obrada može poboljšati karakteristike legure CuCrZr na način koji se ne očekuje.
Budući da ima veliku provodljivost i mehaničke kvalitete, legura CuCrZr se često koristi u dijelovima avionskih motora. Međutim, teško je i skupo napraviti komplikovane strukture koristeći tipične metode obrade. Legura CuCrZr napravljena SLM tehnikom je prilično jaka (granica tečenja 411MPa), ali nije baš dobra u vođenju električne energije (31% IACS). Nakon sat vremena zagrevanja na 500 stepeni, njegova zatezna čvrstoća je porasla do 585 MPa, a provodljivost do 64% IACS. Ovo je slično tome koliko dobro funkcioniraju tipične tretirane legure. Ovaj scenario pokazuje da je termička obrada važan korak u izvlačenju maksimuma iz metalnih 3D materijala za štampanje.