Welche Vorteile bietet die HIP-Verarbeitung bei der Nachbearbeitung des 3D-Metalldrucks?

1. Innere Fehler beseitigen: Von „Porosität“ zu „Null Fehlern“
Eine Nichtgleichgewichtserstarrung, die durch schnelles Abkühlen entsteht, kann beim Metall-3D-Druck zu winzigen Löchern führen. Andererseits kann das Zerlegen von Stützstrukturen oder das nicht vollständig schmelzende Pulver zu makroskopischer Schrumpfung führen. Diese Fehler können zur Bildung von Rissen führen, was die Ermüdungslebensdauer der Teile erheblich verkürzt. Die HIP-Technologie behebt Fehler mithilfe der folgenden Methoden:
Poren schließen und Metalle verbinden
Wenn Metallmaterialien auf eine hohe Temperatur (typischerweise das 0,5- bis 0,8-fache des Schmelzpunkts des Materials) erhitzt und einem hohen Druck (100 bis 200 MPa) ausgesetzt werden, werden sie sehr biegsam. Der Gasdruck bewirkt, dass das Metall um die Poren herum seine Form verändert, miteinander in Kontakt kommt und metallurgische Bindungen bildet. Dadurch verringert sich das Porenvolumen, bis es ganz verschwunden ist. Nach der HIP-Behandlung beispielsweise stieg die Porosität der mit der SLM-Technik hergestellten Hochtemperaturlegierung IN718 von 0,8 % auf 0,02 %, was einer Dichte von 99,99 % entspricht, was die Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt, um sicherzustellen, dass die Materialien zuverlässig sind.
Heilung von Mikrorissen
Durch thermische Belastung beim Metall-3D-Druck können Mikrorisse entstehen. Durch die Hochtemperatur-Glühwirkung der HIP-Behandlung werden Restspannungen beseitigt, und die Hochdruckumgebung bewirkt, dass sich die Bruchspitze plastisch verbiegt, wodurch der Riss geschlossen wird und eine stabile Korngrenzenstruktur entsteht. Experimentelle Daten zeigen, dass die HIP-Behandlung die Rissdichte von Edelstahl 316L um 90 % verringern und die Bruchzähigkeit um 30 % erhöhen kann.
Verfeinerung der Körner und Vereinheitlichung der Mikrostruktur
Der Hochtemperaturprozess von HIP ist derselbe wie eine Glühbehandlung, die die unterkühlte Struktur oder metastabile Phase beseitigen kann, die sich bildet, wenn SLM schnell abkühlt. Nach der HIP-Behandlung beispielsweise verwandeln sich die groben säulenförmigen Kristalle der Ti6Al4V-Legierung in feine gleichachsige Kristalle, und die Korngröße steigt von 50 μm auf 10 μm. Dadurch wird das Material wesentlich flexibler und ermüdungsbeständiger.
2. Verbesserung der mechanischen Leistung: Finden der richtigen Balance zwischen Festigkeit und Zähigkeit
Die HIP-Verarbeitung hat zwei Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Metallteilen:
Festigkeit und Plastizität passen besser zusammen.
Die Festigkeit des Materials kann nach der HIP-Behandlung leicht abnehmen (normalerweise um 5 bis 15 %), aber seine Plastizitätsindikatoren, wie z. B. die Dehnung, steigen deutlich an. Beispielsweise sank nach der HIP-Behandlung die Zugfestigkeit der mit der SLM-Technik hergestellten AlSi10Mg-Aluminiumlegierung von 420 MPa auf 380 MPa, die Dehnung stieg jedoch von 8 % auf 15 %, was für leichte Strukturteile in Autos gut ist.
Eine deutliche Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit
Der Hauptgrund für das Wachstum von Ermüdungsrissen sind innere Fehler. Durch die Beseitigung von Poren und Mikrorissen erhöht die HIP-Behandlung die Ermüdungslebensdauer von Teilen erheblich. Beispielsweise ist die Hochtemperatur-Ermüdungslebensdauer der IN718-Legierung, die mit HIP bei 650 Grad und 690 MPa behandelt wurde, von 50 Stunden ohne Behandlung auf 173 Stunden gestiegen. Dies erfüllt die Lebensdaueranforderungen von GE-Flugzeugtriebwerken für wesentliche Teile.
Anisotrope Entfernung
Die Eigenschaften der Zwischenschichtbindung beim Metall-3D-Druck können dazu führen, dass die mechanischen Eigenschaften in verschiedene Richtungen unterschiedlich sind. Das Material wirkt in alle Richtungen gleich, wenn es mit HIP behandelt wird, das einen gleichmäßigen 360-Grad-Druck ausübt. Beispielsweise beträgt der Unterschied in den radialen und axialen Reibungskoeffizienten zwischen mit HIP behandelten Siliziumnitrid-Keramikkugeln weniger als 5 %, was weitaus besser ist als bei Standard-Sintermethoden.
3. Erweiterung des Anwendungsspektrums: Von „Verfügbar“ zu „Zuverlässig“
Die HIP-Verarbeitung hilft bei der technischen Seite des breiten Einsatzes der Metall-3D-Drucktechnologie in Bereichen, in denen sie stark nachgefragt wird.
Luft- und Raumfahrtsektor
Turbinenschaufeln, Brennkammern und andere Teile eines Flugzeugtriebwerks müssen in Situationen mit hohen Temperaturen, hohen Drücken und hoher Belastung funktionieren können. Durch die HIP-Behandlung können thermische Spannungsrisse beseitigt werden, die entstehen, wenn der SLM-Prozess zu schnell abkühlt, und sie kann auch dafür sorgen, dass Materialien besser bei hohen Temperaturen kriechen. Rolls Royce verwendet beispielsweise HIP-behandelte, auf Nickel- basierende Hochtemperatur--Turbinenscheiben, die die Betriebstemperatur von 1200 auf 1400 Grad Celsius und das Verhältnis von Schub{8}}zu-Gewicht um 20 % erhöhen.
Bereich medizinische Implantate
Orthopädische Implantate müssen stark und sicher für den Körper sein. Die HIP-Behandlung kann die Alpha-Phasen-Segregation in der Ti6Al4V-Legierung beseitigen, die Wahrscheinlichkeit des Austretens von Metallionen verringern und die Lebensdauer des Materials unter Belastung verlängern. Klinische Beweise deuten darauf hin, dass die Ausfallrate von Hüftimplantaten, die einer HIP unterzogen wurden, nach einem Jahrzehnt von 3 % auf 0,5 % gesunken ist.
Die Energie- und Schifffahrtsindustrie
Teile wie Kernreaktor-Druckbehälter und Tiefsee-Sensorgehäuse müssen sehr rauen Bedingungen standhalten. Die HIP-behandelte Zirkonoxidkeramik hält einem hohen Druck von 110 MPa in der Tiefsee stand und das mit Siliziumkarbid-beschichtete Brennstoffelement kann bei hohen Temperaturen von 1200 Grad stabil bleiben. Diese Materialien sind für die vierte Generation der Kernenergietechnik von großer Bedeutung.