Kas kuumtöötlus võib parandada metallist 3D-prinditud osade tugevust?

1. Kuumtöötlustehnoloogia põhimõtted: mikrostruktuuri muutmine makroskoopilisteks omadusteks
Kuumutades, isoleerides, jahutades ja muid asju tehes muudab kuumtöötlus metallmaterjalide kristallstruktuuri, faasikoostist ja defektide jaotust, mis parandab nende mehaanilisi omadusi. Metallist 3D-prinditud objektide kuumtöötluse juures on kõige olulisem:
Jääkpinge leevendamine
3D-printimise ajal läbivad materjalid kiired sulamis- ja tahkumistsüklid, mis jätab komponentidesse jääkpinged. Need pinged võivad põhjustada osade paindumist, purunemist või väsimusest tingitud rikkeid. Lõõmuteraapia on osade kuumutamine üle temperatuuri, mille juures need saavad ümberkristallida, ja seejärel aeglaselt jahutada. See võib panna terad taastuma ja ümberkristalluma, mis laseb osade sees pinge välja. Näiteks kasutas Zhuzhou raudteetransiidiettevõte SLM{5}}prinditud titaanisulamist ülekandeosade valmistamiseks vaakumlõõmutamist. See vähendas jääkpinge 30%-ni algsest väärtusest ja muutis osad suuruselt palju stabiilsemaks.
Terade rafineerimine ja segamine
Kui 3D-prinditud tükid jahtuvad liiga kiiresti, võivad need saada jämedaid terasid ja ebaühtlast suunda, mis muudab materjali nõrgemaks. Jahutuskiirust reguleerides võib normaliseerimistöötlus muuta tera suuruse 50% kuni 70% väiksemaks kui see oli varem ja see võib ka peatada komponentide segregatsiooni. Näiteks lennunduses ja kosmosetööstuses kasutatakse Inconel 718 kõrgtemperatuuriliste sulamidetailide terase struktuuri parandamiseks sageli normaliseerivat töötlemist, mis tõstab nende voolavuspiiri 15–20%.
Sademed tugevnemise faasis
Temperatuuri ja ajaga manipuleerides soodustab vananemistöötlemine lahustunud aine aatomite ühinemist, et luua hajutatud tugevdusfaasid (selline faas ja faas), mis muudab materjali palju kõvemaks. Austraalia Monashi ülikooli meeskond vanandas SLM-i trükitud Beta-C titaanisulamit 480 kraadi juures. Lõplikuks tõmbetugevuseks kujunes 1611 MPa, mis on 3D-prinditud metallide eritugevuse uus rekord. Tugevdusmehhanismiks on suure-tihedusega nano-kaksosademete tekitamine.
Täielik kontroll mehaanilise jõudluse üle
Karastus- ja karastamisprotsess (karastamine kõrgel{0}}temperatuuriga) kasutab martensiitset muundumist ja karastuspehmendust, et leida tasakaal osade suure tugevuse ja hea sitkuse vahel. Pärast karastamist ja karastamist on SLM-i toodetud 17-4PH roostevaba terase tõmbetugevus 1035 MPa, voolavuspiir 860 MPa ja pikenemine ligikaudu 10%. See muudab selle piisavalt tugevaks konstruktsiooniosade jaoks, mis peavad kandma palju raskust.
2. Tööstustavad: uued kasutusalad kuumtöötlemiseks olulistes piirkondades
Lennunduse valdkond
Lennuki mootori labad, põlemiskambrid ja muud osad peavad taluma väga kõrgeid temperatuure, rõhku ja pingeid. See tähendab, et nende valmistamiseks kasutatavad materjalid peavad olema väga tugevad. GE Aviation prindib Inconel 718 kütusedüüsid, kasutades SLM-tehnoloogiat. Seejärel kasutavad nad kuumisostaatilist pressimist (HIP) ja lahusega vanandamist, et vabaneda sisemistest pooridest (tihedus on suurem või võrdne 99,9%), mis muudab osad 650 kraadi juures 40% tugevamaks. See on paljude LEAP-mootorite valmistamisel hästi töötanud.
Meditsiiniseadmete valdkond
Ortopeediliste implantaatide jaoks on oluline, et need oleksid tugevad ja kehale ohutud. Johnson & Johnson Medical valmistas Ti6Al4V puusaliigeseid kasutades SLM-i ja seejärel kasutas pinna jääkpingest vabanemiseks vaakumlõõmutamist. Keemilist poleerimist kasutati ka pinna tasandamiseks Ra0,8 μm-ni, mis kolmekordistas implantaadi väsimuse kestust ja rahuldas pikaajalisi kliinilisi vajadusi.
Raudteetransiidi valdkond
SLM-i kasutab Zhuzhou ettevõte titaanisulamist jõuülekannete osade printimiseks. Osade tõmbetugevus on 850 MPa, kõvadus HRC35, sisemine tihedus 99,8%, mõõtmete täpsus on ± 0,03 mm ja osade kasutusiga on 50% pikem kui traditsioonilistel valudetailidel. Seda seetõttu, et laseri parameetrid (võimsus 300W, skaneerimiskiirus 1200mm/s) optimeeriti ja detaile töödeldi vaakumlõõmutusega.