Может ли термообработка повысить прочность металлических 3D-печатных деталей?

1. Принципы технологии термической обработки: изменение микроструктуры на макроскопические свойства.
Путем нагрева, изоляции, охлаждения и других действий термообработка изменяет кристаллическую структуру, фазовый состав и распределение дефектов металлических материалов, что улучшает их механические свойства. Самое важное в термообработке металлических 3D-печатных объектов:
Снятие остаточного напряжения
Во время 3D-печати материалы проходят быстрые циклы плавления и затвердевания, в результате чего внутри компонентов остаются остаточные напряжения. Эти напряжения могут привести к изгибу, поломке или выходу деталей из строя из-за усталости. Терапия отжигом — это нагрев деталей выше температуры, при которой они могут рекристаллизоваться, а затем медленное их охлаждение. Это может привести к восстановлению и рекристаллизации зерен, что снимает напряжение внутри деталей. Например, железнодорожная транспортная компания в Чжучжоу использовала вакуумный отжиг для подготовки деталей трансмиссии из титанового сплава, напечатанных методом SLM-. Это снизило остаточное напряжение до 30% от первоначального значения и сделало детали более стабильными по размеру.
Очистка и смешивание зерна
Когда напечатанные на 3D-принтере детали остывают слишком быстро, на них могут появиться крупные зерна и неравномерная ориентация, что делает материал более слабым. Регулируя скорость охлаждения, нормализующая обработка может сделать размер зерна на 50–70 % меньше, чем раньше, а также остановить сегрегацию компонентов. Например, в аэрокосмической промышленности нормализующая обработка часто используется для улучшения зеренной структуры деталей из жаропрочных-сплавов Inconel 718, что повышает их предел текучести на 15–20 %.
Осадки на этапе укрепления
Управляя температурой и временем, обработка старением побуждает атомы растворенных веществ объединяться для создания распределенных упрочняющих фаз (таких как фаза и фаза), что делает материал намного тверже. Команда из Университета Монаша в Австралии состарила титановый сплав Beta-C, напечатанный SLM, при температуре 480 градусов. Окончательная прочность на разрыв составила 1611 МПа, что является новым рекордом удельной прочности 3D-печатных металлов. Механизм упрочнения заключается в создании преципитатов нанодвойников высокой-плотности.
Полный контроль над механическими характеристиками
В процессе закалки и отпуска (закалка с высоко-отпуском) используются мартенситное превращение и отпускное размягчение, чтобы найти баланс между высокой прочностью и хорошей ударной вязкостью в деталях. После закалки и отпуска нержавеющая сталь 17-4PH, производимая SLM, имеет предел прочности на разрыв 1035 МПа, предел текучести 860 МПа и удлинение примерно 10%. Это делает его достаточно прочным для деталей конструкций, которым необходимо выдерживать большой вес.
2. Промышленная практика: новые способы термообработки в важных областях.
Область аэрокосмической промышленности
Лопасти авиационных двигателей, камеры сгорания и другие детали должны выдерживать очень высокие температуры, давления и напряжения. Это означает, что материалы, используемые для их изготовления, должны быть очень прочными. GE Aviation печатает топливные форсунки Inconel 718 с использованием технологии SLM. Затем они используют горячее изостатическое прессование (HIP) и обработку старением в растворе, чтобы избавиться от внутренних пор (плотность больше или равна 99,9%), что делает детали на 40% прочнее при температуре 650 градусов. Он хорошо зарекомендовал себя при создании множества двигателей LEAP.
Область медицинского оборудования
Ортопедическим имплантатам важно быть прочными и безопасными для организма. Компания Johnson & Johnson Medical изготовила тазобедренные суставы из Ti6Al4V с использованием SLM, а затем применила вакуумный отжиг, чтобы избавиться от поверхностного остаточного напряжения. Также применялась химическая полировка для сглаживания поверхности до Ra0,8 мкм, что утроило усталостную долговечность имплантата и отвечало долгосрочным-клиническим потребностям.
Область железнодорожного транзита
SLM используется компанией в Чжучжоу для печати деталей трансмиссий из титановых сплавов. Предел прочности деталей составляет 850 МПа, твердость HRC35, внутренняя плотность 99,8 %, точность размеров ± 0,03 мм, срок службы деталей на 50 % дольше, чем у традиционных литых деталей. Это связано с тем, что параметры лазера (мощность 300 Вт, скорость сканирования 1200 мм/с) были оптимизированы, а детали обработаны вакуумным отжигом.