Kāpēc pēc metāla 3D drukas ir nepieciešama termiskā apstrāde?

1. Atbrīvošanās no atlikušā sprieguma ir atslēga deformācijas un plaisāšanas apturēšanai.
Metāla 3D drukāšanas procesā materiāls iziet cauri ātriem sildīšanas un dzesēšanas cikliem, kas atstāj izstrādājumos atlikušo spriegumu. Piemēram, lāzera pulvera slāņa kausēšanas (LPBF) procesā kausējuma baseins ātri atdziest, kas var radīt stresu apkārtējam metālam, kas vēl nav izkusis. Detaļa var saliekties, saplaisāt vai pārsniegt izmēru ierobežojumu, ja materiālam ir pārāk liels spriegums. Piemēram, titāna sakausējuma lidmašīnu dzinēju lāpstiņām ir plānas sienas. Ja tie pēc drukāšanas netiek termiski-apstrādāti, atlikušais spriegums apstrādes vai lietošanas laikā var izraisīt to negaidītu lūzumu, kas būtu ļoti bīstami.
Stresa samazināšanas rūdīšana un citas termiskās apstrādes metodes var ļoti labi atbrīvoties no atlikušā stresa. Atkausēšanas procesa laikā gabalus uzkarsē līdz temperatūrai, kas ir zemāka par pārkristalizācijas punktu (parasti 50% līdz 70% no materiāla kušanas punkta), tur noteiktu laiku un pēc tam pakāpeniski atdzesē. Šajā laikā materiāla iekšējās dislokācijas tiek pārkārtotas, graudi atgūst un pārkristalizējas, un spriedze tiek izvadīta. Piemēram, noteikta veida turbīnas disks tika atkvēlināts 650 grādos 4 stundas, kas samazināja atlikušo spriegumu no 320 MPa līdz 80 MPa un deformāciju par 90%. Tas nodrošināja, ka apstrāde būs precīza.
2. Mikrostruktūras uzlabošana: uzlabojot materiālu kopējo darbību
Metāla 3D drukas ātra sacietēšana var izraisīt rupju mikrostruktūru un kompozīcijas segregāciju, kas var sabojāt detaļu veiktspēju. Piemēram, LPBF-apdrukātam 316L nerūsējošajam tēraudam var būt raupji kolonnveida kristāli, un tā noguruma izturība ir par 40% zemāka nekā kaltam tēraudam. Termiskā apstrāde var uzlabot lietas darbību, kontrolējot mikrostruktūru:
Graudu rafinēšana: atkausēšanas laikā pārkristalizācijas process var padarīt graudus mazākus. Piemēram, alumīnija sakausējuma apdrukāto detaļu atkausēšana 350 grādu temperatūrā 2 stundas samazina graudu izmēru no 100 μm līdz 20 μm un palielina tecēšanas robežu par 15%.
Fāzes maiņas kontrole: rūdīšanas un rūdīšanas laikā tēraudu varat izveidot divfāžu struktūru, kas sastāv no martensīta un atlikušā austenīta. Piemēram, veidņu tērauda apdrukāto komponentu cietība palielinās līdz 58 HRC pēc rūdīšanas 1050 grādos un rūdīšanas 200 grādos. Nodilumizturība ir trīs reizes lielāka nekā neapstrādātām daļām.
Atbrīvošanās no trūkumiem: augstas temperatūras (parasti 0,7–0,9 reizes pārsniedz materiāla kušanas temperatūru) un augsta spiediena (100–200 MPa) sinerģiskā iedarbība karstās izostatiskās presēšanas (HIP) apstrādē var daļēji aizvērt iekšējos caurumus un mikroplaisas. Pēc HIP apstrādes augstas temperatūras sakausējuma detaļu blīvums noteiktam aviācijas dzinējam pieauga no 99,2% līdz 99,99%, un detaļas kalpoja 5 reizes ilgāk.
3. Atbilst augstiem-izturības standartiem, lai uzlabotu mehānisko veiktspēju.
Metāla 3D drukāto priekšmetu mehāniskās īpašības bieži vien nav tik labas kā tiem, kas izgatavoti, izmantojot tradicionālās metodes. Tomēr termiskā apstrāde var padarīt tās daudz stiprākas, cietākas un stingrākas.
Rūdīšanas apstrāde veido martensīta struktūru, to ātri atdzesējot, kas padara to daudz grūtāku. Piemēram, drukāto detaļu stiepes izturība, kas izgatavota no augstas temperatūras sakausējuma uz niķeļa-bāzes,{2}}paaugstinājās no 850 MPa līdz 1200 MPa pēc rūdīšanas 1120 grādu temperatūrā.
Labāka stingrība: rūdīšana var atbrīvoties no stresa mazināšanas un padarīt lietas stingrākas. Piemēram, pēc rūdīšanas un rūdīšanas 550 grādu leņķī automašīnas transmisijas vārpstas drukātās daļas triecienizturība samazinājās no 15J/cm² līdz 35J/cm², kas atbilda sadursmju drošības standartiem.
Maksimāla noguruma veiktspēja: termiskā apstrāde var ievērojami pagarināt materiāla kalpošanas laiku, kontrolējot tā mikrostruktūru un atlikušo spriegumu. Piemēram, divkārša atkausēšana (700 grādi 2 stundas un 500 grādi 4 stundas) paaugstināja titāna sakausējuma ortopēdisko implantu noguruma robežu no 450 MPa līdz 600 MPa, kas ir pietiekami, lai noturētu ķermeņa ilgtermiņa svaru.
4. Pārliecinieties, ka izmēri paliek stabili: atbilst precīzas montāžas standartiem.
Pēc drukāšanas metāla 3D drukāto gabalu izmērs var mainīties atlikušā sprieguma atbrīvošanās vai mikrostruktūras izmaiņu dēļ. Tas var apgrūtināt to pareizu salikšanu. Termiskā apstrāde var ievērojami uzlabot izmēru stabilitāti, stabilizējot mikrostruktūru un atbrīvojoties no spriedzes.
Zemāka deformācija: atlaidināšanas apstrāde var samazināt termiskās izplešanās koeficienta atšķirību starp daļām un zemāku apstrādes deformāciju. Piemēram, pēc atkausēšanas sarežģīta plūsmas kanālu siltummaiņa drukātās daļas diametra novirze samazinājās no ± 0,15 mm līdz ± 0,05 mm, kas atbilda blīvēšanas šķidrumu standartiem.
Stabilitāte laika gaitā: mākslīgā novecošana un citas novecošanas procedūras var atbrīvoties no pārsātinātiem cietajiem šķīdumiem materiālos un neļaut tiem laika gaitā pārāk daudz mainīt izmēru. Piemēram, alumīnija sakausējuma apdrukāto detaļu izmēru maiņas ātrums samazinājās no 0,3% gadā līdz 0,05% gadā pēc 8 stundu novecošanas 170 grādos. Tas atbilda kosmosa nozares ilgtermiņa pakalpojumu vajadzībām.
5. Unikālu veiktspējas vajadzību apmierināšana: lietojumu klāsta paplašināšana
Termiskā apstrāde var nodrošināt arī metāla 3D drukātiem priekšmetiem specifiskas īpašības, kas padara tos noderīgus vairākās vietās:
Uzlabota izturība pret koroziju: Cietā šķīduma apstrāde var izšķīdināt materiāla otro fāzi, kas samazina tā korozijas iespējamību, izmantojot elektroķīmiskus līdzekļus. Piemēram, pēc apstrādes ar šķīdumu 1050 grādu temperatūrā 316 l nerūsējošā tērauda apdrukāto komponentu potenciāls palielinājās no 320 mV līdz 450 mV, kas ir piemērots izmantošanai jūras apstākļos.
Magnētisko īpašību kontrole: termiskā apstrāde var mainīt mīksto magnētisko materiālu graudu orientāciju un atlikušo spriegumu, lai uzlabotu to magnētiskās īpašības. Piemēram, pēc uzsildīšanas līdz 750 grādiem solenoīda vārsta noteiktas daļas magnētiskā caurlaidība palielinās par 20%, bet patērētās enerģijas daudzums samazinās par 15%.
Biosaderības uzlabošana: medicīniskie implanti ir jāuzsilda, lai atbrīvotos no virsmas piesārņotājiem un izveidotu pasivācijas plēvi. Piemēram, pēc skābes mazgāšanas un atkausēšanas 500 grādu temperatūrā titāna sakausējuma ortopēdisko implantu virsmas raupjums Ra palielinājās no 3,2 μm līdz 0,8 μm, un šūnu adhēzijas ātrums palielinājās par 40%.