Почему необходима термообработка после 3D-печати металлом?

1. Избавление от остаточных напряжений является ключом к прекращению деформации и растрескивания.
В процессе 3D-печати металлом материал проходит быстрые циклы нагрева и охлаждения, в результате чего в изделиях остаются остаточные напряжения. Например, в процессе лазерной плавки порошкового слоя (LPBF) ванна расплава быстро остывает, что может создать нагрузку на окружающий металл, который еще не расплавился. Деталь может погнуться, треснуть или выйти за пределы размера, если напряжение слишком велико для материала. Например, лопатки авиационных двигателей из титанового сплава имеют тонкие стенки. Если они не подвергнуты термической-обработке после печати, остаточное напряжение может привести к их неожиданному разрушению во время обработки или использования, что очень опасно.
Отжиг для снижения напряжения и другие методы термообработки позволяют очень хорошо избавиться от остаточного напряжения. Во время процесса отжига детали нагреваются до температуры ниже точки рекристаллизации (обычно от 50% до 70% температуры плавления материала), выдерживаются там в течение заданного времени, а затем постепенно охлаждаются. В это время внутренние дислокации материала перестраиваются, зерна восстанавливаются и рекристаллизуются, напряжение снимается. Например, диск турбины определенного типа был отожжен при температуре 650 градусов в течение 4 часов, что снизило остаточное напряжение с 320 МПа до 80 МПа и деформацию на 90%. Это гарантировало точность обработки.
2. Улучшение микроструктуры: улучшение работы материалов в целом.
Быстрое затвердевание металлической 3D-печати может привести к грубой микроструктуре и композиционному расслоению, что может ухудшить эксплуатационные характеристики деталей. Например, нержавеющая сталь 316L, напечатанная LPBF-, может иметь шероховатые столбчатые кристаллы, а ее усталостная прочность на 40 % ниже, чем у кованой стали. Термическая обработка может улучшить работу, контролируя микроструктуру:
Измельчение зерна. Во время отжига процесс рекристаллизации может уменьшить размеры зерен. Например, отжиг печатных деталей из алюминиевого сплава при температуре 350 градусов в течение 2 часов уменьшает размер зерна со 100 мкм до 20 мкм и увеличивает предел текучести на 15%.
Контроль фазового перехода. При закалке и отпуске стали можно создать двухфазную-структуру, состоящую из мартенсита и остаточного аустенита. Например, твердость печатных компонентов из литейной стали достигает 58HRC после закалки при 1050 градусах и отпуска при 200 градусах. Износостойкость в три раза выше, чем у деталей, не подвергавшихся обработке.
Избавление от дефектов: синергетическое действие высокой температуры (обычно в 0,7–0,9 раза выше температуры плавления материала) и высокого давления (100–200 МПа) при горячем изостатическом прессовании (ГИП) может закрыть внутренние отверстия и микротрещины в деталях. После обработки HIP плотность деталей из жаропрочных сплавов для определенного авиационного двигателя выросла с 99,2% до 99,99%, а срок службы деталей увеличился в 5 раз.
3. Соответствие высоким-стандартам прочности для улучшения механических характеристик.
Механические свойства металлических изделий, напечатанных на 3D-принтере, зачастую не так хороши, как у изделий, изготовленных традиционными методами. Однако термическая обработка может сделать их намного прочнее, тверже и жестче.
Закалочная обработка создает мартенситную структуру за счет быстрого охлаждения, что делает ее намного тверже. Например, предел прочности напечатанных деталей из жаропрочных-сплавов на основе никеля увеличился с 850 МПа до 1200 МПа после закалки при температуре 1120 градусов.
Повышенная прочность: закалка позволяет избавиться от закалочного напряжения и сделать вещи более жесткими. Например, после закалки и отпуска при температуре 550 градусов ударная вязкость печатной части трансмиссионного вала автомобиля выросла с 15 Дж/см² до 35 Дж/см², что соответствует нормам безопасности при столкновениях.
Максимизация усталостных характеристик. Термическая обработка может значительно продлить срок службы материала за счет контроля его микроструктуры и остаточного напряжения. Например, двукратный отжиг (700 градусов в течение 2 часов и 500 градусов в течение 4 часов) повысил предел выносливости ортопедических имплантатов из титанового сплава с 450 МПа до 600 МПа, что достаточно для поддержания длительного-веса тела.
4. Следите за тем, чтобы размеры оставались стабильными: соблюдайте стандарты для точной сборки.
После печати металлические 3D-напечатанные детали могут изменить размер из-за снятия остаточного напряжения или изменений в микроструктуре. Это может затруднить их правильное соединение. Термическая обработка может значительно улучшить стабильность размеров за счет стабилизации микроструктуры и устранения напряжений.
Меньшая деформация: обработка отжигом может уменьшить разницу в коэффициенте теплового расширения между деталями и снизить деформацию механической обработки. Так, после отжига отклонение диаметра печатной детали сложнопроточного теплообменника снизилось с ±0,15 мм до ±0,05 мм, что соответствует нормам для уплотнительных жидкостей.
Стабильность с течением времени. Искусственное старение и другие методы старения позволяют избавиться от перенасыщенных твердых растворов в материалах и предотвратить слишком сильное изменение их размера с течением времени. Например, скорость изменения размера печатных деталей из алюминиевого сплава снизилась с 0,3% в год до 0,05% в год после старения при температуре 170 градусов в течение 8 часов. Это удовлетворило долгосрочные-потребности в обслуживании аэрокосмической отрасли.
5. Удовлетворение уникальных потребностей в производительности: расширение спектра использования
Термическая обработка также может придать металлическим 3D-печатным изделиям особые качества, что делает их полезными во многих сферах:
Улучшенная устойчивость к коррозии: обработка твердым раствором может растворить вторую фазу в материале, что снижает вероятность электрохимической коррозии. Например, после обработки раствором при температуре 1050 градусов потенциал точечной коррозии печатных компонентов из нержавеющей стали 316L увеличился с 320 мВ до 450 мВ, что хорошо для использования в морских условиях.
Управление магнитными характеристиками. Термическая обработка может изменить ориентацию зерен и остаточное напряжение магнитомягких материалов, чтобы улучшить их магнитные свойства. Например, после нагрева до 750 градусов магнитная проницаемость данной части электромагнитного клапана увеличивается на 20%, а количество потребляемой энергии снижается на 15%.
Улучшение биосовместимости: медицинские имплантаты необходимо нагревать, чтобы избавиться от поверхностных загрязнений и создать пассивирующую пленку. Например, после кислотной промывки и отжига при 500 градусах шероховатость поверхности Ra ортопедических имплантатов из титанового сплава увеличилась с 3,2 мкм до 0,8 мкм, а скорость адгезии клеток увеличилась на 40%.