Esiste una differenza significativa nelle prestazioni delle parti metalliche stampate in 3D prima e dopo il trattamento termico?

1. Microstruttura: un cambiamento nella qualità dai difetti alla densità
Il processo di stampa 3D in metallo prevede il riscaldamento e il raffreddamento rapido del materiale, il che provoca la comparsa di molti piccoli difetti all’interno degli oggetti. Ad esempio, nel metodo di fusione laser del letto di polvere (LPBF), il pool di fusione si raffredda rapidamente, producendo cristalli colonnari grossolani con dislocazioni ad alta-densità e micropori ai bordi dei grani. Questi difetti non solo riducono la densità del materiale (tipicamente del 98%–99,5%), ma causano anche la formazione di crepe, che rendono le parti più deboli in termini di qualità meccaniche.
Il trattamento termico migliora la microstruttura effettuando quanto segue:
Densificazione: il trattamento di pressatura isostatica a caldo (HIP) funziona ad alta temperatura (tipicamente 0,7-0,9 volte il punto di fusione del materiale) e ad alta pressione (100-200 MPa) per chiudere i pori interni e le microfessure della parte. Ad esempio, dopo il trattamento HIP, la densità delle parti in lega ad alta temperatura per un determinato motore aeronautico è passata dal 99,2% al 99,99% e le parti potrebbero durare cinque volte di più prima di rompersi.
Raffinazione del grano: il processo di ricristallizzazione durante la ricottura può ridurre la dimensione del grano. Ad esempio, la ricottura di parti stampate in lega di alluminio a 350 gradi per 2 ore riduce la dimensione del grano da 100 μm a 20 μm e aumenta la resistenza allo snervamento del 15%.
Controllo del cambiamento di fase: quando si tempra l'acciaio, è possibile creare una struttura a doppia-fase comprendente martensite e austenite residua. Ad esempio, dopo essere stati raffreddati a 1050 gradi e rinvenuti a 200 gradi, la durezza delle parti stampate in acciaio per stampi raggiunge i 58 HRC e sono tre volte più resistenti all'usura rispetto alle parti non trattate.
2, Proprietà meccaniche: passare dall'essere fragile all'essere forte
Il trattamento termico è molto importante per migliorare le proprietà meccaniche degli oggetti metallici stampati in 3D. Ad esempio, osservando la lega ad alta-temperatura GH4169, le parti stampate hanno una resistenza alla trazione e allo snervamento leggermente inferiori rispetto alle parti forgiate, ma l'allungamento alla rottura e il restringimento della sezione trasversale-sono molto peggiori. Dopo il trattamento termico di routine (ricottura di distensione e ricottura di omogeneizzazione), le sue qualità di trazione a temperatura ambiente e alle alte temperature soddisfano o superano le norme per la forgiatura. Anche la sua resistenza alle alte-temperature è superiore a quella delle parti forgiate.
Le disparità nelle prestazioni sono mostrate in:
Miglioramento della resistenza: la procedura di tempra crea una struttura martensitica raffreddandola rapidamente, il che la rende molto più dura. Ad esempio, dopo il raffreddamento, la resistenza alla trazione delle parti stampate realizzate in lega ad alta temperatura-a base di nichel aumenta da 460 MPa a 585 MPa.
Migliore tenacità: il rinvenimento può eliminare lo stress da estinzione e rendere le cose più difficili. Ad esempio, dopo la tempra e il rinvenimento a 550 gradi, la resistenza agli urti di una sezione stampata dell'albero di trasmissione di un'auto è aumentata da 15J/cm² a 35J/cm².
Ottimizzazione delle prestazioni a fatica: il trattamento termico può risolvere i problemi all'interno del materiale e rallentare la diffusione delle cricche da fatica. Dopo il trattamento termico, la durata a fatica delle parti stampate GH4169 a 650 gradi è più lunga del 20% rispetto a quella delle parti forgiate.
3. Stabilità dimensionale: dalla flessione alla garanzia di precisione
Le parti metalliche stampate in 3D possono cambiare dimensione dopo la stampa a causa del rilascio di stress residuo o di cambiamenti nella microstruttura. Ciò potrebbe rendere più difficile metterli insieme correttamente. Il trattamento termico può migliorare notevolmente la stabilità dimensionale rendendo la microstruttura più stabile ed eliminando lo stress.
Meno deformazione: la ricottura può ridurre la differenza nel coefficiente di dilatazione termica tra le parti e ridurre la deformazione della lavorazione. Ad esempio, la deviazione del diametro di una sezione stampata di uno scambiatore di calore con canale di flusso complesso è passata da ± 0,15 mm a ± 0,05 mm dopo la ricottura.
Stabilità a lungo-termine: il trattamento di invecchiamento può eliminare le soluzioni solide supersature nei materiali e impedire che le loro dimensioni cambino troppo nel tempo. Ad esempio, dopo essere stati invecchiati a 170 gradi per 8 ore, il tasso di variazione delle dimensioni delle parti stampate in lega di alluminio è sceso dallo 0,3% all'anno allo 0,05% all'anno.
Adattamento di strutture complesse: il trattamento termico può aiutare a prevenire l'accumulo di stress durante la lavorazione di strutture complesse come quelle porose-a pareti sottili. Dopo la doppia ricottura (700 gradi × 2 ore + 500 gradi × 4 ore), il limite di fatica degli impianti ortopedici in lega di titanio è aumentato da 450 MPa a 600 MPa, sufficiente a sostenere il peso del corpo nel tempo.
4. Requisiti prestazionali speciali: innovazione universale e personalizzata: il trattamento termico può anche fornire qualità uniche agli oggetti metallici stampati in 3D, che li rendono utili in più situazioni.
Migliore resistenza alla corrosione: il trattamento con soluzione solida può dissolvere la seconda fase nel materiale, rendendolo meno probabile che si corroda attraverso mezzi elettrochimici. Ad esempio, dopo essere stati trattati con una soluzione a 1050 gradi, il potenziale di vaiolatura dei componenti stampati in acciaio inossidabile 316L è aumentato da 320 mV a 450 mV, il che è ottimo per l'uso in condizioni marittime.
Controllo delle proprietà magnetiche: il trattamento termico può modificare l'orientamento dei grani e lo stress residuo dei materiali magnetici morbidi per migliorare le loro caratteristiche magnetiche. Ad esempio, dopo essere stata riscaldata a 750 gradi, la permeabilità magnetica di una determinata parte di un'elettrovalvola aumenta del 20% e la quantità di energia utilizzata diminuisce del 15%.
Miglioramento della biocompatibilità: gli impianti medici devono essere riscaldati per eliminare i contaminanti superficiali e creare una pellicola di passivazione. Ad esempio, la rugosità superficiale Ra degli impianti ortopedici in lega di titanio è passata da 3,2 μm a 0,8 μm dopo lavaggio acido e ricottura a 500 gradi, e la velocità con cui le cellule si attaccano agli impianti è aumentata del 40%.
5. Un caso di studio: il trattamento termico può migliorare notevolmente le caratteristiche della lega CuCrZr in un modo inaspettato.
Poiché ha ottime conduttività e qualità meccaniche, la lega CuCrZr viene spesso utilizzata in parti dei motori degli aerei. Tuttavia, è difficile e costoso realizzare strutture complicate utilizzando metodi di lavorazione tipici. La lega CuCrZr realizzata con la tecnica SLM è abbastanza resistente (carico di snervamento 411MPa) ma non molto buona nel condurre elettricità (31% IACS). Dopo essere stato riscaldato a 500 gradi per un'ora, la sua resistenza alla trazione è salita a 585 MPa e la sua conduttività è arrivata al 64% IACS. Questo è simile al funzionamento delle tipiche leghe trattate. Questo scenario mostra che il trattamento termico è un passo importante per ottenere il massimo dai materiali di stampa 3D in metallo.