Kann eine Oberflächenbehandlung die Korrosionsbeständigkeit von 3D-gedruckten Metallteilen verbessern?

一, Der Hauptteil der Oberflächenbehandlungstechnologie
Der Oberflächenzustand hat einen direkten Einfluss darauf, wie gut 3D-gedruckte Metallobjekte Korrosion widerstehen. Oberflächenrauheit, winzige Fehler und Zusammensetzungstrennung beschleunigen das Eindringen korrosiver Substanzen wie Chloridionen und saurer Gase. Andererseits machen Oberflächenbehandlungsmethoden Materialien korrosionsbeständiger, indem sie Folgendes bewirken:
Fehlerbeseitigung: Beseitigen Sie Oberflächenfehler, einschließlich ungeschmolzener Pulverpartikel und überlappender Spuren des Schmelzbades, und erschweren Sie das Anhaften korrosiver Medien. Durch chemisches Polieren kann beispielsweise eine 70 μm dicke klebrige Schicht durch gezieltes Auflösen von Oberflächenvorsprüngen entfernt werden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer Lochfraßkorrosion deutlich verringert.
Die Optimierung der Mikrostruktur bedeutet, die Größe der Körner zu ändern und die Entmischung der Komponenten durch den Einsatz von Wärmebehandlungs- oder Oberflächenmodifizierungsmethoden zu beseitigen. Beispielsweise kann durch heißisostatisches Pressen (HIP) die Dichte eines Materials nahezu auf 100 % erhöht, innere Poren beseitigt und das Eindringen korrosiver Medien erschwert werden.
Um das Metallsubstrat vor dem korrosiven Medium zu schützen, bilden Sie auf der Oberfläche einen dicken Oxidfilm, eine Legierungsschicht oder eine Beschichtung. Beispielsweise kann durch Eloxieren auf der Oberfläche von Aluminiumlegierungen eine 5 bis 20 μm dicke Al₂O3-Beschichtung entstehen. Dadurch sind sie deutlich widerstandsfähiger gegen Salzsprühkorrosion.
2, Der gebräuchlichste Ansatz zur Oberflächenbehandlung und wie er zum Schutz vor Korrosion beiträgt
1. Polieren mit Chemikalien und Polieren mit Elektrizität
Chemisches Polieren: Einsatz starker oxidierender Säurelösungen (wie Salzsäure und Salpetersäure), um Unebenheiten auf der Oberfläche selektiv aufzulösen und sie im Sub{0}}-Mikrometerbereich glatt zu machen. Nach dem chemischen Polieren steigt die Oberflächenrauheit der 3D-gedruckten Titanlegierung von 6–12 μm auf 0,2–1 μm. Die kritische Lochfraßtemperatur (CPT) in einer 3,5 %igen NaCl-Lösung steigt um 15 Grad, was sie wesentlich widerstandsfähiger gegen Lochfraß macht.
Elektrochemisches Polieren: Verwendung elektrolytischer Verfahren zur Erzielung nanoskaliger Glätte und gleichzeitiger Bildung eines Passivierungsfilms. Beispielsweise reduzierte elektrochemisches Polieren die Oberflächenrauheit von 316L-Edelstahl von 8 μm auf 0,18 μm und die Korrosionsrate in simulierten Körperflüssigkeiten um 90 %, was medizinische Implantate für den langfristigen Einsatz benötigen.
2. Untergrund wechseln und aufheizen
Bei der Wärmebehandlung werden innere Spannungen beseitigt und die Kornstruktur verbessert. Glühen und Abschrecken sind zwei Beispiele hierfür. Beispielsweise sinkt nach der Wärmebehandlung die Oxidationsrate von Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken bei hohen Temperaturen um 50 Grad und ihre Lebensdauer erhöht sich um 20 %.
Nitrieren oder Aufkohlen der Oberfläche: Bei hohen Temperaturen werden Stickstoff- oder Kohlenstoffatome in die Oberfläche eingebracht, um eine Diffusionsschicht zu erzeugen, die sehr hart und korrosionsbeständig ist. Beispielsweise steigt die Härte der Formstahloberfläche nach dem Nitrieren auf 1000–1200 HV und sie kann Salzsprühkorrosion mehr als 1000 Stunden lang widerstehen.
3. Technologie zur Beschichtung
Physical Vapour Deposition (PVD): Aufbringen starker Beschichtungen wie TiN und CrN, um die Dinge widerstandsfähiger gegen Verschleiß und Korrosion zu machen. Beispielsweise sinkt nach der PVD-Beschichtung die Oxidationsrate von 3D-gedruckten Legierungen auf Nickelbasis bei einer hohen Temperatur von 650 Grad um 80 %.
Chemisches Plattieren/Galvanisieren: Aufbringen von Schichten aus Ni-P, Ni-B und anderen Legierungen, um Oberflächenfehler auszufüllen und einen Schutzfilm zu bilden. Beispielsweise kann eine stromlose Nickel-Phosphor-Legierung die Korrosionsstromdichte von Edelstahl im Meerwasser um 95 % senken. Seine Korrosionsbeständigkeit ist fast so gut wie die einer Titanlegierung.
Eloxieren eignet sich gut zur Erzeugung dicker Oxidschichten auf Leichtmetallen wie Aluminiumlegierungen. Beispielsweise können Aluminiumlegierungsteile von Raumfahrzeugen nach gründlichem Eloxieren Salzsprühkorrosion mehr als 5000 Stunden lang standhalten und haben eine Schmelztemperatur von 2320 K. Dies entspricht sehr hohen Umweltstandards.
3, Beispiele dafür, wie die Branche Daten und Fälle nutzt
Im Luft- und Raumfahrtbereich werden die Turbinenschaufeln von LEAP-Triebwerken von GE Aviation durch 3D-Druck und chemisches Polieren glatter gemacht, von 10 μm auf 1 μm, wodurch das Triebwerk um 8 % aerodynamischer wird. Gleichzeitig werden durch die HIP-Behandlung innere Poren beseitigt, was die Ermüdungslebensdauer bei hohen Temperaturen von 5.000 auf 12.000 Zyklen verlängert.
Medizinische Implantate: Nach dem elektrochemischen Polieren weist das 3D-gedruckte Zwischenkörperfusionsgerät aus Titanlegierung von Johnson & Johnson eine Oberflächenrauheit von 0,8 μm, eine 90 %ige Verringerung der Staphylococcus aureus-Adhäsion und eine klinische Erfolgsrate von über 95 % auf.
Meerestechnik: Die Korrosionsrate des 3D-gedruckten Nickel-Aluminium-Bronze-Ventils von CNOOC in Salzwasser stieg nach Laserbeschichtung und chemischer Vernickelung von 0,5 mm/Jahr auf 0,05 mm/Jahr. Auch die Lebensdauer des Ventils wurde um das Zehnfache erhöht.