Kann eine Wärmebehandlung die Festigkeit von 3D-gedruckten Metallteilen verbessern?

1. Die Prinzipien der Wärmebehandlungstechnik: Umwandlung der Mikrostruktur in makroskopische Eigenschaften
Durch Erhitzen, Isolieren, Kühlen und andere Dinge verändert die Wärmebehandlung die Kristallstruktur, Phasenzusammensetzung und Fehlerverteilung von Metallmaterialien, was ihre mechanischen Eigenschaften verbessert. Das Wichtigste bei der Wärmebehandlung von 3D-gedruckten Metallobjekten ist:
Abbau von Eigenspannungen
Beim 3D-Druck durchlaufen Materialien schnelle Zyklen des Schmelzens und Erstarrens, wodurch Restspannungen in den Komponenten zurückbleiben. Diese Spannungen können dazu führen, dass sich die Teile verbiegen, brechen oder aufgrund von Ermüdung versagen. Bei der Glühtherapie werden die Teile über die Temperatur erhitzt, bei der sie rekristallisieren können, und dann langsam abgekühlt. Dadurch können sich die Körner erholen und neu kristallisieren, wodurch Spannungen im Inneren der Teile entstehen. Beispielsweise nutzte ein Eisenbahnverkehrsunternehmen in Zhuzhou das Vakuumglühen, um SLM-gedruckte Getriebeteile aus Titanlegierung herzustellen. Dadurch wurde die Eigenspannung auf 30 % des ursprünglichen Wertes reduziert und die Teile wurden wesentlich größenstabiler.
Getreide verfeinern und mischen
Wenn 3D-gedruckte Teile zu schnell abkühlen, können sie grobkörnig und ungleichmäßig ausgerichtet werden, was das Material schwächer macht. Durch Anpassen der Abkühlrate kann die Normalisierungsbehandlung die Korngröße um 50 bis 70 % kleiner machen als zuvor und außerdem die Entmischung der Komponenten stoppen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird beispielsweise häufig eine Normalisierungsbehandlung verwendet, um die Kornstruktur von Teilen aus Inconel 718-Hochtemperaturlegierung zu verbessern, wodurch ihre Streckgrenze um 15 % bis 20 % erhöht wird.
Niederschlag während der Stärkungsphase
Durch die Manipulation von Temperatur und Zeit regt die Alterungsbehandlung dazu an, dass gelöste Atome zusammenkommen und verteilte Verstärkungsphasen (z. B. Phase und Phase) bilden, wodurch das Material viel härter wird. Das Team der Monash University in Australien ließ die von SLM gedruckte Beta-C-Titanlegierung bei 480 Grad altern. Die endgültige Zugfestigkeit betrug 1611 MPa, was einen neuen Rekord für die spezifische Festigkeit von 3D-gedruckten Metallen darstellt. Der Verstärkungsmechanismus ist die Bildung hochdichter Nanozwillingsniederschläge.
Vollständige Kontrolle über die mechanische Leistung
Der Prozess des Abschreckens und Anlassens (Abschrecken mit Hochtemperaturanlassen) nutzt martensitische Umwandlung und Anlasserweichung, um in den Teilen ein Gleichgewicht zwischen hoher Festigkeit und guter Zähigkeit zu finden. Nach dem Abschrecken und Anlassen weist der von SLM hergestellte Edelstahl 17-4PH eine Zugfestigkeit von 1035 MPa, eine Streckgrenze von 860 MPa und eine Dehnung von etwa 10 % auf. Dadurch ist es stark genug für Strukturteile, die viel Gewicht tragen müssen.
2. Industrielle Praxis: Neue Einsatzmöglichkeiten der Wärmebehandlung in wichtigen Bereichen
Der Bereich Luft- und Raumfahrt
Rotorblätter, Brennkammern und andere Teile von Flugzeugtriebwerken müssen sehr hohen Temperaturen, Drücken und Belastungen standhalten. Das bedeutet, dass die Materialien, aus denen sie hergestellt werden, sehr stark sein müssen. GE Aviation druckt Inconel 718-Kraftstoffdüsen mithilfe der SLM-Technologie. Anschließend verwenden sie heißisostatisches Pressen (HIP) und eine Lösungsalterungsbehandlung, um innere Poren (Dichte größer oder gleich 99,9 %) zu entfernen, wodurch die Teile bei 650 Grad um 40 % fester werden. Es hat bei der Herstellung vieler LEAP-Motoren gut funktioniert.
Bereich Medizinprodukte
Es ist wichtig, dass orthopädische Implantate stabil und sicher für den Körper sind. Johnson & Johnson Medical stellte Ti6Al4V-Hüftgelenke mittels SLM her und verwendete anschließend Vakuumglühen, um Oberflächeneigenspannungen zu beseitigen. Außerdem wurde chemisches Polieren eingesetzt, um die Oberfläche auf Ra0,8 μm zu glätten, was die Ermüdungslebensdauer des Implantats verdreifachte und langfristige klinische Anforderungen erfüllte.
Bereich des Schienenverkehrs
SLM wird von einem Unternehmen in Zhuzhou zum Drucken von Teilen für Getriebe aus Titanlegierungen verwendet. Die Zugfestigkeit der Teile beträgt 850 MPa, die Härte beträgt HRC35, die innere Dichte beträgt 99,8 %, die Maßgenauigkeit beträgt ± 0,03 mm und die Lebensdauer der Teile ist 50 % länger als bei herkömmlichen Gussteilen. Dies liegt daran, dass die Laserparameter (Leistung 300 W, Scangeschwindigkeit 1200 mm/s) optimiert und die Teile mit Vakuumglühen behandelt wurden.