Postoji li značajna razlika u performansama metalnih 3D tiskanih dijelova prije i nakon toplinske obrade?

1. Mikrostruktura: promjena kvalitete od nedostataka do gustoće
Proces metalnog 3D printanja uključuje brzo zagrijavanje i hlađenje materijala, što uzrokuje pojavu mnogo sitnih nedostataka unutar predmeta. Na primjer, u metodi laserskog taljenja praha (LPBF), bazen taline se brzo hladi, što stvara grube stupčaste kristale s dislokacijama visoke -gustoće i mikroporama na granicama zrna. Ovi nedostaci ne samo da smanjuju gustoću materijala (obično 98%–99,5%), već također uzrokuju stvaranje pukotina, što dijelove čini slabijima u smislu njihovih mehaničkih kvaliteta.
Toplinska obrada poboljšava mikrostrukturu čineći sljedeće:
Zgušnjavanje: tretman toplim izostatičkim prešanjem (HIP) radi s visokom temperaturom (obično 0,7-0,9 puta talištem materijala) i visokim tlakom (100-200MPa) kako bi se zatvorile unutarnje pore i mikropukotine dijela. Na primjer, nakon tretmana HIP-om, gustoća dijelova od visokotemperaturne legure za određeni zrakoplovni motor pošla je s 99,2% na 99,99%, a dijelovi su mogli trajati pet puta duže prije nego što se pokvare.
Pročišćavanje zrna: Proces rekristalizacije tijekom žarenja može smanjiti veličinu zrna. Na primjer, žarenje tiskanih dijelova od aluminijske legure na 350 stupnjeva tijekom 2 sata smanjuje veličinu zrna sa 100 μm na 20 μm i povećava granicu razvlačenja za 15%.
Kontrola promjene faze: kada kalite i tempirate čelik, možete napraviti dvo{0}}faznu strukturu koja se sastoji od martenzita i zaostalog austenita. Na primjer, nakon kaljenja na 1050 stupnjeva i temperiranja na 200 stupnjeva, tvrdoća tiskanih dijelova od kalupnog čelika doseže 58HRC, a oni su tri puta otporniji na habanje od netretiranih dijelova.
2, Mehanička svojstva: od krhkog do jakog
Toplinska obrada je vrlo važna za poboljšanje mehaničkih svojstava metalnih 3D printanih predmeta. Na primjer, kada gledamo leguru GH4169 za visoke{2}}temperature, tiskani dijelovi imaju malo nižu vlačnu čvrstoću i granicu tečenja od kovanih dijelova, ali rastezanje pri lomu i skupljanje-poprečnog presjeka mnogo su lošiji. Nakon rutinske toplinske obrade (žarenje za ublažavanje naprezanja i homogenizacijsko žarenje), njegove vlačne kvalitete na sobnoj temperaturi i visokim temperaturama zadovoljavaju ili premašuju norme za kovanje. Njegova otpornost na visoke-temperature također je bolja od izdržljivosti kovanih dijelova.
Razlike u izvedbi prikazane su u:
Povećanje čvrstoće: Postupak kaljenja stvara martenzitnu strukturu brzim hlađenjem, što je čini puno tvrđom. Na primjer, nakon kaljenja, vlačna čvrstoća tiskanih dijelova izrađenih od visokotemperaturne-legure na bazi nikla raste s 460MPa na 585MPa.
Bolja žilavost: Kaljenjem se može riješiti stresa prigušivanja i učiniti stvari čvršćima. Na primjer, nakon kaljenja i temperiranja na 550 stupnjeva, udarna žilavost tiskanog dijela osovine prijenosa automobila porasla je s 15J/cm² na 35J/cm².
Optimiziranje performansi zamora: Toplinska obrada može riješiti probleme unutar materijala i usporiti širenje pukotina uzrokovanih zamorom. Nakon toplinske obrade, vijek trajanja GH4169 tiskanih dijelova na 650 stupnjeva je 20% duži od zamora kovanih dijelova.
3. Dimenzijska stabilnost: od savijanja do točne sigurnosti
Metalni 3D ispisani dijelovi mogu promijeniti veličinu nakon ispisa zbog otpuštanja zaostalog naprezanja ili promjena u mikrostrukturi. To bi moglo otežati njihovo ispravno sastavljanje. Toplinska obrada može uvelike poboljšati dimenzionalnu stabilnost čineći mikrostrukturu stabilnijom i oslobađajući se stresa.
Manje deformacije: Žarenje može smanjiti razliku u koeficijentu toplinskog širenja između dijelova i deformaciju strojne obrade učiniti manjom. Na primjer, odstupanje promjera tiskanog dijela složenog izmjenjivača topline s protočnim kanalom išlo je od ± 0,15 mm do ± 0,05 mm nakon žarenja.
Dugoročna -stabilnost: tretman starenja može ukloniti prezasićene krute otopine u materijalima i spriječiti da se njihova veličina previše mijenja tijekom vremena. Na primjer, nakon starenja na 170 stupnjeva 8 sati, stopa promjene veličine tiskanih dijelova od aluminijske legure pala je s 0,3% godišnje na 0,05% godišnje.
Prilagodba kompliciranih struktura: Toplinska obrada može spriječiti nakupljanje naprezanja tijekom obrade za složene strukture poput tankih-stjenki i poroznih. Nakon dvostrukog žarenja (700 stupnjeva × 2h + 500 stupnjeva × 4h), granica zamora ortopedskih implantata od legure titana porasla je sa 450 MPa na 600 MPa, što je dovoljno da izdrži težinu tijela tijekom vremena.
4. Posebni zahtjevi za performanse: Univerzalni do prilagođeni prodor: Toplinska obrada također može pružiti metalnim 3D ispisanim objektima jedinstvene kvalitete, što ih čini korisnim u više situacija.
Poboljšana otpornost na koroziju: Tretman krutom otopinom može otopiti drugu fazu u materijalu, što smanjuje vjerojatnost da će korodirati elektrokemijskim putem. Na primjer, nakon tretiranja otopinom na 1050 stupnjeva, potencijal pitinga tiskanih komponenata od nehrđajućeg čelika 316L porastao je s 320 mV na 450 mV, što je dobro za upotrebu u pomorskim uvjetima.
Kontrola magnetskih svojstava: Toplinska obrada može promijeniti orijentaciju zrna i zaostalo naprezanje mekih magnetskih materijala kako bi se poboljšala njihova magnetska svojstva. Na primjer, nakon zagrijavanja na 750 stupnjeva, magnetska propusnost određenog dijela solenoidnog ventila raste za 20%, a količina korištene energije pada za 15%.
Poboljšanje biokompatibilnosti: Medicinske implantate potrebno je zagrijati kako bi se riješili površinskih kontaminanata i napravili pasivni film. Na primjer, površinska hrapavost Ra ortopedskih implantata od legure titana pošla je s 3,2 μm na 0,8 μm nakon ispiranja kiselinom i žarenja na 500 stupnjeva, a stopa kojom su stanice zalijepljene 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 vodljivost i mehanička svojstva, legura CuCrZr često se koristi u dijelovima motora aviona. Međutim, teško je i skupo napraviti komplicirane strukture koristeći tipične metode obrade. Legura CuCrZr izrađena SLM tehnikom prilično je jaka (granica razvlačenja 411MPa), ali nije baš dobra u vodljivosti električne energije (31% IACS). Nakon zagrijavanja na 500 stupnjeva tijekom jednog sata, njegova vlačna čvrstoća je porasla do 585 MPa, a vodljivost do 64% IACS. To je slično tome koliko dobro funkcioniraju tipične obrađene legure. Ovaj scenarij pokazuje da je toplinska obrada važan korak u izvlačenju maksimuma iz materijala za 3D ispis metala.