Может ли обработка поверхности улучшить коррозионную стойкость металлических 3D-печатных деталей?

一, Основная часть технологии обработки поверхности
Состояние поверхности напрямую влияет на то, насколько хорошо металлические 3D-печатные объекты противостоят коррозии. Шероховатость поверхности, крошечные дефекты и сегрегация состава ускоряют проникновение агрессивных веществ, таких как ионы хлорида и кислые газы. С другой стороны, методы обработки поверхности делают материалы более устойчивыми к коррозии за счет следующих действий:
Удаление дефектов: избавьтесь от поверхностных дефектов, включая нерасплавленные частицы порошка и перекрывающиеся следы ванны расплава, а также усложните прилипание агрессивных сред. Например, химическая полировка позволяет избавиться от липкого слоя толщиной 70 мкм за счет избирательного растворения выступов на поверхности. Это значительно снижает вероятность точечной коррозии.
Оптимизация микроструктуры означает изменение размера зерен и устранение сегрегации компонентов с помощью методов термической обработки или модификации поверхности. Например, горячее изостатическое прессование (ГИП) позволяет довести плотность материала почти до 100%, избавиться от внутренних пор и затруднить проникновение агрессивных сред.
Чтобы защитить металлическую подложку от агрессивной среды, создайте на поверхности толстую оксидную пленку, слой сплава или покрытие. Например, анодирование может создать на поверхности алюминиевых сплавов покрытие Al₂O3 толщиной от 5 до 20 мкм. Это делает их гораздо более устойчивыми к коррозии солевым туманом.
2. Самый распространенный метод обработки поверхности и его защита от коррозии.
1. полировка химикатами и полировка электричеством
Химическая полировка: использование мощных растворов окислительных кислот (таких как соляная и азотная кислоты) для избирательного растворения неровностей на поверхности, делая ее гладкой на суб-микронном уровне. После химической полировки шероховатость поверхности титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере, изменяется от 6–12 мкм до 0,2–1 мкм. Критическая питтинговая температура (CPT) в 3,5% растворе NaCl повышается на 15 градусов, что делает его намного более устойчивым к питтинговой коррозии.
Электрохимическая полировка: использование электролитических процессов для получения наноразмерной гладкости и одновременного создания пассивирующей пленки. Например, электрохимическая полировка снизила шероховатость поверхности нержавеющей стали 316L с 8 мкм до 0,18 мкм, а скорость коррозии в искусственных жидкостях организма на 90 %, а это именно то, что нужно медицинским имплантатам для долгосрочного-использования.
2. Смена поверхности и ее нагрев
Термическая обработка – это процесс избавления от внутреннего напряжения и улучшения структуры зерна. Отжиг и закалка являются двумя примерами этого. Например, после термообработки степень окисления лопаток турбины авиационных двигателей при высоких температурах снижается на 50 градусов, а срок их службы увеличивается на 20%.
Азотирование или науглероживание поверхности: введение атомов азота или углерода в поверхность при высоких температурах для создания очень твердого и устойчивого к коррозии диффузионного слоя. Например, после азотирования твердость поверхности литейной стали достигает 1000–1200HV, и она может противостоять коррозии солевым туманом в течение более 1000 часов.
3. Технология нанесения покрытия
Физическое осаждение из паровой фазы (PVD): нанесение прочных покрытий, таких как TiN и CrN, чтобы сделать изделия более устойчивыми к износу и коррозии. Например, после нанесения PVD-покрытия скорость окисления сплавов на основе никеля-, напечатанных на 3D-принтере, падает на 80 % при высокой температуре 650 градусов.
Химическое/гальваническое покрытие: нанесение слоев Ni-P, Ni-B и других сплавов для заполнения поверхностных дефектов и создания защитной пленки. Например, химический никель-фосфорный сплав может снизить плотность тока коррозии нержавеющей стали в морской воде на 95%. Его устойчивость к коррозии почти такая же, как у титанового сплава.
Анодирование хорошо подходит для создания толстых оксидных слоев на легких металлах, таких как алюминиевые сплавы. Например, после тщательного анодирования детали космических кораблей из алюминиевого сплава могут противостоять коррозии солевым туманом в течение более 5000 часов и иметь температуру плавления 2320К. Это соответствует очень высоким экологическим стандартам.
3. Примеры того, как отрасль использует данные и примеры.
В аэрокосмической области лопатки турбины двигателя LEAP компании GE Aviation используют 3D-печать и химическую полировку, чтобы сделать поверхность более гладкой, увеличивая толщину от 10 мкм до 1 мкм, что делает двигатель на 8% более аэродинамичным. В то же время обработка HIP позволяет избавиться от внутренних пор, что увеличивает ресурс усталости при высоких-температурах с 5000 до 12 000 циклов.
Медицинские имплантаты. После электрохимической полировки устройство для межтеловой сварки из титанового сплава, напечатанное на 3D-принтере Johnson & Johnson, имеет шероховатость поверхности 0,8 мкм, снижение адгезии золотистого стафилококка на 90 % и показатель клинического успеха более 95 %.
Океанская инженерия: Скорость коррозии клапана из никель-алюминиевой бронзы, напечатанного на 3D-принтере, изготовленного CNOOC в соленой воде, выросла с 0,5 мм/год до 0,05 мм/год после лазерной плакировки и химического никелирования. Срок службы клапана также увеличен в 10 раз.