Gibt es einen signifikanten Unterschied in der Leistung von 3D-gedruckten Metallteilen vor und nach der Wärmebehandlung?

1. Mikrostruktur: eine Veränderung der Qualität von Fehlern zu Dichte
Beim Metall-3D-Druckverfahren wird das Material schnell erhitzt und abgekühlt, wodurch viele kleine Fehler im Inneren der Objekte entstehen. Beispielsweise kühlt sich beim Laser-Pulverbettschmelzverfahren (LPBF) das Schmelzbad schnell ab, wodurch grobe säulenförmige Kristalle mit Versetzungen hoher -Dichte und Mikroporen an den Korngrenzen entstehen. Diese Fehler verringern nicht nur die Dichte des Materials (typischerweise 98–99,5 %), sondern führen auch zur Bildung von Rissen, wodurch die Teile hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften schwächer werden.
Die Wärmebehandlung verbessert die Mikrostruktur durch Folgendes:
Verdichtung: Bei der Behandlung mit heißisostatischem Pressen (HIP) werden hohe Temperaturen (typischerweise das 0,7-{3}}0,9-fache des Schmelzpunkts des Materials) und hoher Druck (100–200 MPa) eingesetzt, um die inneren Poren und Mikrorisse des Teils zu schließen. Nach der HIP-Behandlung stieg beispielsweise die Dichte von Hochtemperaturlegierungsteilen für ein bestimmtes Flugzeugtriebwerk von 99,2 % auf 99,99 %, und die Teile konnten fünfmal länger halten, bevor sie kaputt gingen.
Kornverfeinerung: Durch den Prozess der Rekristallisation beim Glühen kann die Korngröße kleiner werden. Beispielsweise verringert das zweistündige Glühen von gedruckten Teilen aus Aluminiumlegierung bei 350 Grad die Korngröße von 100 μm auf 20 μm und erhöht die Streckgrenze um 15 %.
Kontrolle der Phasenänderung: Wenn Sie Stahl abschrecken und vergüten, können Sie eine zweiphasige Struktur aus Martensit und Restaustenit erzeugen. Nach dem Abschrecken bei 1050 Grad und dem Anlassen bei 200 Grad erreichen die aus Formstahl gedruckten Teile beispielsweise eine Härte von 58 HRC und sind dreimal verschleißfester als unbehandelte Teile.
2, Mechanische Eigenschaften: Von zerbrechlich zu stark
Die Wärmebehandlung ist sehr wichtig, um die mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Metallgegenständen zu verbessern. Betrachtet man beispielsweise die Hochtemperaturlegierung GH4169, so weisen die gedruckten Teile eine etwas geringere Zugfestigkeit und Streckgrenze auf als die geschmiedeten Teile, dafür sind die Bruchdehnung und die Querschnittsschrumpfung deutlich schlechter. Nach routinemäßiger Wärmebehandlung (Spannungsarmglühen und Homogenisierungsglühen) erfüllen oder übertreffen seine Zugeigenschaften bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen die Normen für das Schmieden. Auch seine Hochtemperaturbeständigkeit ist besser als die von geschmiedeten Teilen.
Die Leistungsunterschiede zeigen sich in:
Festigkeitssteigerung: Das Abschreckverfahren erzeugt durch schnelles Abkühlen eine martensitische Struktur, die es deutlich härter macht. Nach dem Abschrecken steigt beispielsweise die Zugfestigkeit gedruckter Teile aus einer Hochtemperaturlegierung auf Nickelbasis-von 460 MPa auf 585 MPa.
Höhere Zähigkeit: Durch Anlassen kann die Härtespannung beseitigt und die Festigkeit erhöht werden. Beispielsweise stieg die Schlagzähigkeit eines gedruckten Abschnitts einer Autogetriebewelle nach dem Abschrecken und Anlassen bei 550 Grad von 15 J/cm² auf 35 J/cm².
Optimierung des Ermüdungsverhaltens: Eine Wärmebehandlung kann Probleme im Material beheben und die Ausbreitung von Ermüdungsrissen verlangsamen. Nach der Wärmebehandlung ist die Ermüdungslebensdauer von GH4169-gedruckten Teilen bei 650 Grad 20 % länger als die von geschmiedeten Teilen.
3. Dimensionsstabilität: vom Biegen bis zur exakten Sicherung
3D-gedruckte Metallteile können nach dem Drucken aufgrund von Restspannungsabbau oder Veränderungen in der Mikrostruktur ihre Größe ändern. Dies könnte es schwieriger machen, sie richtig zusammenzusetzen. Eine Wärmebehandlung kann die Dimensionsstabilität erheblich verbessern, indem sie die Mikrostruktur stabiler macht und Spannungen beseitigt.
Weniger Verformung: Durch Glühen kann der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Teilen verringert und die Verformung bei der Bearbeitung verringert werden. Beispielsweise stieg die Durchmesserabweichung eines gedruckten Abschnitts eines komplexen Strömungskanalwärmetauschers nach dem Glühen von ± 0,15 mm auf ± 0,05 mm.
Langzeitstabilität: Eine Alterungsbehandlung kann übersättigte feste Lösungen in Materialien beseitigen und verhindern, dass sich deren Größe im Laufe der Zeit zu stark verändert. Nach achtstündiger Alterung bei 170 Grad sank beispielsweise die Größenänderungsrate von gedruckten Aluminiumlegierungsteilen von 0,3 % pro Jahr auf 0,05 % pro Jahr.
Anpassung komplizierter Strukturen: Eine Wärmebehandlung kann dazu beitragen, die Ansammlung von Spannungen während der Verarbeitung komplexer Strukturen wie dünnwandiger und poröser Strukturen zu verhindern. Nach zweimaligem Glühen (700 Grad × 2 Stunden + 500 Grad × 4 Stunden) stieg die Ermüdungsgrenze orthopädischer Implantate aus Titanlegierung von 450 MPa auf 600 MPa, was ausreicht, um das Körpergewicht im Laufe der Zeit zu tragen.
4. Besondere Leistungsanforderungen: Universell bis kundenspezifisch Durchbruch: Die Wärmebehandlung kann auch 3D-gedruckten Metallobjekten einzigartige Eigenschaften verleihen, die sie in mehr Situationen nützlich machen.
Verbesserte Korrosionsbeständigkeit: Durch die Behandlung mit fester Lösung kann die zweite Phase im Material aufgelöst werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Korrosion durch elektrochemische Mittel geringer wird. Nach der Behandlung mit einer Lösung bei 1050 Grad stieg beispielsweise das Lochfraßpotential von gedruckten Bauteilen aus 316L-Edelstahl von 320 mV auf 450 mV, was für den Einsatz unter maritimen Bedingungen gut ist.
Kontrolle der magnetischen Eigenschaften: Durch Wärmebehandlung können die Kornorientierung und die Eigenspannung weichmagnetischer Materialien verändert werden, um deren magnetische Eigenschaften zu verbessern. Nach dem Erhitzen auf 750 Grad erhöht sich beispielsweise die magnetische Permeabilität eines bestimmten Teils eines Magnetventils um 20 %, während die verbrauchte Energiemenge um 15 % sinkt.
Verbesserung der Biokompatibilität: Medizinische Implantate müssen erhitzt werden, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen und einen Passivierungsfilm zu bilden. Beispielsweise stieg die Oberflächenrauheit Ra von orthopädischen Implantaten aus Titanlegierung von 3,2 μm auf 0,8 μm nach Waschen mit Säure und Glühen bei 500 Grad, und die Rate, mit der Zellen an den Implantaten haften blieben, stieg um 40 %.
5. Eine Fallstudie: Eine Wärmebehandlung kann die Eigenschaften einer CuCrZr-Legierung auf unerwartete Weise deutlich verbessern.
Aufgrund ihrer hervorragenden Leitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften wird die CuCrZr-Legierung häufig in Teilen von Flugzeugtriebwerken verwendet. Allerdings ist es schwierig und teuer, mit typischen Verarbeitungsmethoden komplizierte Strukturen herzustellen. Die mit der SLM-Technik hergestellte CuCrZr-Legierung ist ziemlich fest (Streckgrenze 411 MPa), leitet jedoch Elektrizität nicht sehr gut (31 % IACS). Nach einstündigem Erhitzen auf 500 Grad stieg seine Zugfestigkeit auf 585 MPa und seine Leitfähigkeit auf 64 % IACS. Dies ähnelt der Wirkungsweise typischer behandelter Legierungen. Dieses Szenario zeigt, dass die Wärmebehandlung ein wichtiger Schritt ist, um das Beste aus metallischen 3D-Druckmaterialien herauszuholen.