Vai termiskā apstrāde var uzlabot metāla 3D drukāto detaļu izturību?

1. Termiskās apstrādes tehnoloģijas principi: mikrostruktūras maiņa makroskopiskās īpašībās
Sildot, izolējot, atdzesējot un veicot citas darbības, termiskā apstrāde maina metāla materiālu kristāla struktūru, fāzes sastāvu un defektu sadalījumu, kas uzlabo to mehāniskās īpašības. Vissvarīgākā lieta par metāla 3D drukāto objektu termisko apstrādi ir:
Atlikušā stresa mazināšana
3D drukāšanas laikā materiāli iziet cauri ātriem kušanas un sacietēšanas cikliem, kas komponentos atstāj atlikušo spriegumu. Šie spriegumi var izraisīt detaļu saliekšanos, lūzumu vai sabojāšanos noguruma dēļ. Rūdīšanas terapija ir daļu karsēšana virs temperatūras, kurā tās var pārkristalizēties, un pēc tam tās lēni atdzesē. Tas var likt graudiem atgūties un pārkristalizēties, izraisot spriedzi detaļu iekšpusē. Piemēram, dzelzceļa tranzīta uzņēmums Džužou izmantoja vakuuma atkausēšanu, lai sagatavotu SLM{5}}apdrukātas titāna sakausējuma transmisijas daļas. Tas samazināja atlikušo spriegumu līdz 30% no sākotnējās vērtības un padarīja detaļas daudz stabilāku izmēru.
Graudu rafinēšana un sajaukšana
Ja 3D drukātie gabali pārāk ātri atdziest, tie var iegūt rupjus graudus un nevienmērīgu orientāciju, kas padara materiālu vājāku. Pielāgojot dzesēšanas ātrumu, normalizācijas apstrāde var padarīt graudu izmēru par 50% līdz 70% mazāku nekā tas bija iepriekš, un tas var arī apturēt komponentu segregāciju. Piemēram, aviācijas un kosmosa rūpniecībā, lai uzlabotu Inconel 718 augstas temperatūras sakausējuma detaļu graudu struktūru, bieži tiek izmantota normalizējoša apstrāde, kas palielina to tecēšanas robežu par 15% līdz 20%.
Nokrišņi nostiprināšanās fāzē
Manipulējot ar temperatūru un laiku, novecošanas apstrāde mudina izšķīdušo vielu atomus apvienoties, veidojot sadalītas stiprināšanas fāzes (šādu fāzi un fāzi), kas padara materiālu daudz cietāku. Austrālijas Monašas universitātes komanda SLM iespiesto Beta-C titāna sakausējumu izturēja 480 grādos. Galīgā stiepes izturība bija 1611 MPa, kas ir jauns 3D drukāto metālu īpatnējās stiprības rekords. Stiprināšanas mehānisms ir augsta-blīvuma nano dvīņu nogulšņu radīšana.
Pilnīga kontrole pār mehānisko veiktspēju
Rūdīšanas un atlaidināšanas procesā (rūdīšana ar augstas{0}}temperatūras rūdīšanu) tiek izmantota martensīta transformācija un rūdīšanas mīkstināšana, lai atrastu līdzsvaru starp augstu stiprību un labu stingrību daļās. Pēc rūdīšanas un rūdīšanas SLM ražotā 17-4PH nerūsējošā tērauda stiepes izturība ir 1035 MPa, tecēšanas robeža ir 860 MPa un pagarinājums ir aptuveni 10%. Tas padara to pietiekami izturīgu konstrukcijas daļām, kurām nepieciešams izturēt lielu svaru.
2. Rūpnieciskā prakse: jauni pielietojumi termiskai apstrādei svarīgās jomās
Aviācijas joma
Lidmašīnas dzinēja lāpstiņām, sadegšanas kamerām un citām daļām ir jāspēj izturēt ļoti augstu temperatūru, spiedienu un spriegumu. Tas nozīmē, ka to izgatavošanai izmantotajiem materiāliem jābūt ļoti izturīgiem. GE Aviation drukā Inconel 718 degvielas sprauslas, izmantojot SLM tehnoloģiju. Pēc tam tiek izmantota karstā izostatiskā presēšana (HIP) un šķīduma novecošanas apstrāde, lai atbrīvotos no iekšējām porām (blīvums, kas lielāks par vai vienāds ar 99,9%), kas padara detaļas par 40% stiprākas pie 650 grādiem. Tas ir labi strādājis, lai izveidotu daudz LEAP dzinēju.
Medicīnas ierīču joma
Ir svarīgi, lai ortopēdiskie implanti būtu spēcīgi un droši ķermenim. Johnson & Johnson Medical izgatavoja Ti6Al4V gūžas locītavas, izmantojot SLM, un pēc tam izmantoja vakuuma atkausēšanu, lai atbrīvotos no virsmas atlikušā sprieguma. Tika izmantota arī ķīmiskā pulēšana, lai izlīdzinātu virsmu līdz Ra0,8 μm, kas trīskāršoja implanta noguruma ilgumu un apmierināja ilgtermiņa klīniskās vajadzības.
Dzelzceļa tranzīta lauks
SLM izmanto uzņēmums Džudžou, lai drukātu titāna sakausējuma transmisiju daļas. Detaļu stiepes izturība ir 850 MPa, cietība ir HRC35, iekšējais blīvums ir 99,8%, izmēru precizitāte ir ± 0,03 mm, un detaļu kalpošanas laiks ir par 50% garāks nekā tradicionālajām liešanas daļām. Tas ir tāpēc, ka lāzera parametri (jauda 300W, skenēšanas ātrums 1200mm/s) tika optimizēti un detaļas apstrādātas ar vakuuma atkausēšanu.