Il trattamento termico può migliorare la resistenza delle parti metalliche stampate in 3D?

1. I principi della tecnologia del trattamento termico: trasformazione della microstruttura in proprietà macroscopiche
Riscaldando, isolando, raffreddando e facendo altre cose, il trattamento termico modifica la struttura cristallina, la composizione di fase e la distribuzione dei difetti dei materiali metallici, migliorandone le proprietà meccaniche. La cosa più importante del trattamento termico degli oggetti metallici stampati in 3D è:
Sollievo dallo stress residuo
Durante la stampa 3D, i materiali passano attraverso rapidi cicli di fusione e solidificazione, che lasciano tensioni residue all’interno dei componenti. Queste sollecitazioni possono causare la piegatura, la rottura o il cedimento delle parti a causa della fatica. La terapia di ricottura consiste nel riscaldare le parti al di sopra della temperatura alla quale possono ricristallizzarsi e quindi raffreddarle lentamente. Ciò può far sì che i grani si riprendano e ricristallizzino, liberando lo stress all'interno delle parti. Ad esempio, un'azienda di trasporto ferroviario di Zhuzhou ha utilizzato la ricottura sotto vuoto per preparare parti di trasmissione in lega di titanio stampate SLM-. Ciò ha ridotto lo stress residuo al 30% del valore originale e ha reso le parti molto più stabili nelle dimensioni.
Raffinazione e miscelazione dei cereali
Quando i pezzi stampati in 3D si raffreddano troppo rapidamente, potrebbero assumere grana grossa e un orientamento non uniforme, che rende il materiale più debole. Regolando la velocità di raffreddamento, il trattamento di normalizzazione può ridurre la dimensione dei grani dal 50% al 70% rispetto a prima e può anche arrestare la segregazione dei componenti. Nel settore aerospaziale, ad esempio, il trattamento di normalizzazione viene spesso utilizzato per migliorare la struttura dei grani delle parti in lega ad alta temperatura Inconel 718-, aumentandone la resistenza allo snervamento dal 15% al ​​20%.
Precipitazioni in fase di rafforzamento
Manipolando la temperatura e il tempo, il trattamento di invecchiamento incoraggia gli atomi del soluto a unirsi per creare fasi di rinforzo distribuite (tale fase e fase '), che rendono il materiale molto più duro. Il team della Monash University in Australia ha invecchiato la lega di titanio Beta-C stampata da SLM a 480 gradi. La resistenza alla trazione finale è stata di 1611 MPa, che è un nuovo record per la resistenza specifica dei metalli stampati in 3D. Il meccanismo di rafforzamento è la creazione di precipitati nanogemelli ad alta-densità.
Controllo completo sulle prestazioni meccaniche
Il processo di tempra e rinvenimento (tempra con rinvenimento ad alta-temperatura) utilizza la trasformazione martensitica e l'ammorbidimento del rinvenimento per trovare un equilibrio tra elevata resistenza e buona tenacità nelle parti. Dopo essere stato bonificato, l'acciaio inossidabile 17-4PH prodotto da SLM ha una resistenza alla trazione di 1035 MPa, un limite di snervamento di 860 MPa e un allungamento di circa il 10%. Ciò lo rende abbastanza resistente per le parti strutturali che devono sostenere molto peso.
2. Pratica industriale: nuovi usi del trattamento termico in aree importanti
Il campo aerospaziale
Le pale dei motori degli aerei, le camere di combustione e altre parti devono essere in grado di sopportare temperature, pressioni e sollecitazioni molto elevate. Ciò significa che i materiali utilizzati per realizzarli devono essere molto resistenti. GE Aviation stampa gli ugelli del carburante Inconel 718 utilizzando la tecnologia SLM. Successivamente utilizzano la pressatura isostatica a caldo (HIP) e un trattamento di invecchiamento della soluzione per eliminare i pori interni (densità maggiore o uguale al 99,9%), che rende le parti più resistenti del 40% a 650 gradi. Ha funzionato bene per realizzare molti motori LEAP.
Campo dei dispositivi medici
È importante che gli impianti ortopedici siano resistenti e sicuri per il corpo. Johnson & Johnson Medical ha realizzato articolazioni dell'anca Ti6Al4V utilizzando SLM e quindi ha utilizzato la ricottura sotto vuoto per eliminare lo stress residuo superficiale. È stata inoltre utilizzata la lucidatura chimica per levigare la superficie fino a Ra0,8 μm, triplicando la durata a fatica dell'impianto e soddisfacendo le esigenze cliniche a lungo-termine.
Settore del transito ferroviario
La tecnologia SLM viene utilizzata da un'azienda di Zhuzhou per stampare parti per trasmissioni in lega di titanio. La resistenza alla trazione delle parti è di 850 MPa, la durezza è HRC35, la densità interna è del 99,8%, la precisione dimensionale è di ± 0,03 mm e la durata delle parti è del 50% più lunga rispetto a quella delle parti di fusione tradizionali. Questo perché i parametri del laser (potenza 300 W, velocità di scansione 1200 mm/s) sono stati ottimizzati e le parti sono state trattate con ricottura sotto vuoto.