Perché è necessario il trattamento termico dopo la stampa 3D in metallo?

1. Eliminare lo stress residuo è la chiave per fermare deformazioni e fessurazioni.
Durante il processo di stampa 3D del metallo, il materiale passa attraverso rapidi cicli di riscaldamento e raffreddamento, che lasciano tensioni residue nei prodotti. Ad esempio, nel processo di fusione laser a letto di polvere (LPBF), il bagno di fusione si raffredda rapidamente, il che potrebbe mettere sotto stress il metallo circostante che non si è ancora fuso. La parte potrebbe piegarsi, rompersi o superare il limite dimensionale se la sollecitazione è troppo elevata per il materiale. Ad esempio, le pale dei motori aeronautici in lega di titanio hanno pareti sottili. Se non vengono trattati termicamente-dopo la stampa, la tensione residua potrebbe causarne la rottura inaspettata durante la lavorazione o l'utilizzo, il che sarebbe molto pericoloso.
La ricottura di riduzione dello stress e altri metodi di trattamento termico possono eliminare molto bene lo stress residuo. Durante il processo di ricottura, i pezzi vengono riscaldati a una temperatura inferiore al punto di ricristallizzazione (tipicamente dal 50% al 70% del punto di fusione del materiale), mantenuti lì per un determinato periodo di tempo e quindi progressivamente raffreddati. In questo momento, le dislocazioni interne del materiale vengono riorganizzate, i grani si recuperano e si ricristallizzano e lo stress viene scaricato. Ad esempio, un tipo specifico di disco di turbina è stato ricotto a 650 gradi per 4 ore, riducendo lo stress residuo da 320 MPa a 80 MPa e la deformazione del 90%. Ciò ha garantito che la lavorazione fosse accurata.
2. Migliorare la microstruttura: far sì che i materiali funzionino complessivamente meglio
La rapida solidificazione della stampa 3D in metallo può causare una microstruttura ruvida e una segregazione compositiva, che possono danneggiare le prestazioni delle parti. Ad esempio, l'acciaio inossidabile 316L stampato LPBF- può avere cristalli colonnari grezzi e la sua resistenza alla fatica è inferiore del 40% rispetto a quella dell'acciaio forgiato. Il trattamento termico può far funzionare meglio le cose controllando la microstruttura:
Affinamento del grano: durante la ricottura, il processo di ricristallizzazione può rendere i grani più piccoli. 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, la durezza dei componenti stampati in acciaio per stampi arriva fino a 58 HRC dopo essere stati temprati a 1050 gradi e rinvenuti a 200 gradi. La resistenza all'usura è tre volte superiore a quella delle parti non trattate.
Eliminazione dei difetti: l'azione sinergica dell'alta temperatura (tipicamente 0,7–0,9 volte il punto di fusione del materiale) e dell'alta pressione (100–200 MPa) nel trattamento di pressatura isostatica a caldo (HIP) può chiudere fori interni e microfessure nelle parti. Dopo il trattamento HIP, la densità delle parti in lega ad alta temperatura-per un determinato motore aeronautico è aumentata dal 99,2% al 99,99% e le parti sono durate 5 volte di più.
3. Soddisfa gli standard-di resistenza elevati per migliorare le prestazioni meccaniche.
Le qualità meccaniche degli articoli metallici stampati in 3D spesso non sono buone quanto quelle realizzate con metodi tradizionali. Tuttavia, il trattamento termico può renderli molto più forti, più duri e più resistenti.
Il trattamento di tempra crea una struttura martensitica raffreddandola rapidamente, rendendola molto più dura. Ad esempio, la resistenza alla trazione delle parti stampate realizzate in lega ad alta temperatura-a base di nichel è passata da 850 MPa a 1200 MPa dopo lo spegnimento a 1120 gradi.
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 passata da 15J/cm² a 35J/cm², soddisfacendo gli standard di sicurezza per le collisioni.
Massimizzare le prestazioni a fatica: il trattamento termico può prolungare notevolmente la durata di un materiale controllandone la microstruttura e lo stress residuo. Ad esempio, la doppia ricottura (700 gradi per 2 ore e 500 gradi per 4 ore) ha aumentato il limite di fatica degli impianti ortopedici in lega di titanio da 450 MPa a 600 MPa, che è sufficiente per sostenere il peso del corpo a lungo-termine.
4. Assicurati che le dimensioni rimangano stabili: rispetta gli standard per un assemblaggio preciso.
Dopo la stampa, i pezzi metallici stampati in 3D possono cambiare dimensione a causa del rilascio di stress residuo o di cambiamenti nella microstruttura. Ciò può rendere più difficile metterli insieme correttamente. Il trattamento termico può migliorare notevolmente la stabilità dimensionale stabilizzando la microstruttura ed eliminando la tensione.
Deformazione inferiore: il trattamento di ricottura può ridurre la differenza nel coefficiente di dilatazione termica tra le parti e ridurre la deformazione della lavorazione. Ad esempio, dopo la ricottura, la deviazione del diametro di una parte stampata per uno scambiatore di calore a canale di flusso complesso è scesa da ± 0,15 mm a ± 0,05 mm, rispettando gli standard per i fluidi di tenuta.
Stabilità nel tempo: l'invecchiamento artificiale e altri trattamenti di invecchiamento possono eliminare le soluzioni solide sovrassature nei materiali e impedire loro di cambiare troppo dimensione nel tempo. Ad esempio, il tasso di variazione delle dimensioni per le parti stampate in lega di alluminio è sceso dallo 0,3% all'anno allo 0,05% all'anno dopo essere state invecchiate a 170 gradi per 8 ore. Ciò ha soddisfatto le esigenze di servizio a lungo termine-del settore aerospaziale.
5. Soddisfare esigenze prestazionali uniche: ampliare la gamma di usi
Il trattamento termico può anche fornire qualità specifiche agli articoli metallici stampati in 3D, che li rendono utili in più luoghi:
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 passato da 320 mV a 450 mV, il che è ottimo per l'uso in condizioni marittime.
Controllo delle caratteristiche magnetiche: il trattamento termico può modificare l'orientamento dei grani e lo stress residuo dei materiali magnetici morbidi per migliorare le loro proprietà 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. Dopo il lavaggio acido e la ricottura a 500 gradi, ad esempio, la rugosità superficiale Ra degli impianti ortopedici in lega di titanio è passata da 3,2 μm a 0,8 μm e il tasso di adesione cellulare è aumentato del 40%.