Was sind die gängigen Wärmebehandlungsmethoden für den Metall-3D-Druck?

1. Glühbehandlung: Restspannungen beseitigen und die Abmessungen stabiler machen.
Beim Glühvorgang wird das Teil auf eine bestimmte Temperatur (normalerweise unterhalb der Rekristallisationstemperatur) erhitzt, dort für eine bestimmte Zeit gehalten und dann langsam abgekühlt. Dadurch werden innere Spannungen im Material gelöst, die Körner verfeinert oder rekristallisiert und die Verarbeitungsleistung und Dimensionsstabilität verbessert.
Wo kann man es verwenden:
Spannungsabbau: Beim Laser-Pulverbettschmelzverfahren (SLM) kann es zu Restspannungen kommen, da es so schnell abkühlt. Durch Glühen kann das Spannungsniveau gesenkt werden, damit sich das Material bei der späteren Verarbeitung oder Verwendung nicht verbiegt oder splittert. Beispielsweise werden Flugzeugstrukturteile nach dem Drucken häufig bei 600–650 Grad geglüht, was die Spannung um mehr als 80 % senkt.
Verbesserung der Plastizität: Durch Glühen wird die Korngröße gedruckter Teile aus Titanlegierung (z. B. Ti6Al4V) verfeinert und ihre Dehnung um 15 % bis 20 % erhöht, wodurch sie besser für Teile geeignet sind, die kalt umgeformt werden müssen.
Dimensionsstabilisierung: Präzisionsformen oder optische Teile können Dimensionsabweichungen stoppen, die auftreten, wenn die Spannung durch eine Glühbehandlung gelöst wird, die hohen Präzisionsstandards entspricht.
Bei der Herstellung von Treibstoffdüsen für LEAP-Triebwerke nutzte GE Aviation die Glühtechnologie, um die Restspannung der gedruckten Teile von 300 MPa auf weniger als 50 MPa zu senken. Dadurch wurden die Teile bei hohem-Druck und hohen-Temperaturen wesentlich stabiler.
2. Behandlung mit einer Lösung und Alterung: Erhöhung der Festigkeit der Legierung
Prinzip des Prozesses:
Behandlung einer festen Lösung: Erhitzen der Legierung auf eine Hochtemperatur-Einphasenzone, um gelöste Atome vollständig aufzulösen und eine übersättigte feste Lösung zu erzeugen, gefolgt von einer schnellen Abkühlung (z. B. Abschrecken mit Wasser), um die Hochtemperaturstruktur zu bewahren.
Zeitliche Behandlung: Halten Sie die übersättigte feste Lösung bei einer niedrigeren Temperatur (normalerweise zwischen 100 und 500 Grad), um sie aufzubrechen und Festigungsphasen wie die Phase zu bilden. Dadurch wird das Material viel stärker und härter.
Anwendungsbeispiel:
Hochtemperaturlegierungen auf Nickel--Basis wie Inconel 718 benötigen nach dem Drucken eine Mischkristallbehandlung (980–1010 Grad) und eine Alterungsbehandlung (720 Grad × 8 Stunden+620 Grad × 8 Stunden). Sie haben eine Zugfestigkeit von über 1500 MPa, was stark genug für Turbinenscheiben von Flugzeugtriebwerken ist.
Aluminiumlegierungen wie AlSi10Mg werden nach einer T6-Wärmebehandlung (Alterung in fester Lösung bei 505 Grad + 170 Grad) um 30 % härter. Dadurch eignet es sich gut für leichte Strukturteile.
Um die beste Mischung aus Festigkeit und Zähigkeit zu erhalten, wird die Titanlegierung Ti6Al4V mit fester Lösung (950 Grad) und Alterung (550 Grad) behandelt. Dadurch eignet es sich gut für orthopädische Implantate.
Beispielsweise besteht die Brennkammer des Raptor-Triebwerks von SpaceX aus Inconel 718-Druckteilen, die auch nach längerem Erhitzen auf 2000 Grad Celsius stabil bleiben, was den wiederholten Einsatz von Raketen ermöglicht.
3. Heißisostatisches Pressen (HIP): Beseitigung innerer Fehler und Verdichtung des Materials
Prozessprinzip: Beim HIP werden die Teile in einen Hochdruckbehälter gegeben und einer Inertgasatmosphäre (z. B. Argon) mit hoher Temperatur (typischerweise 1000–1200 Grad) und hohem Druck (100–200 MPa) ausgesetzt. Dadurch verändert das Material seine Form, schließt Poren und Mikrorisse und erreicht eine Dichte von nahezu 100 %.
Anwendungsfall:
Turbinenschaufeln und Brennkammern sind zwei wichtige Teile von Flugzeugen, die sehr hohen Temperaturen und Belastungen standhalten müssen. Die HIP-Behandlung kann Probleme mit der Zwischenschichtbindung beheben und die Ermüdungslebensdauer um das Drei- bis Fünffache verlängern.
Die HIP-Behandlung wird bei medizinischen Implantaten, einschließlich Hüftgelenkpfannen und Wirbelsäulenfusionsgeräten, eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Materialien porenfrei sind, die Gefahr der Freisetzung von Metallionen verringert und die strengen Standards der FDA für Biokompatibilität erfüllen.
HIP kann Probleme beheben, die durch verbleibende interne Stützen in komplexen Strukturteilen, einschließlich Triebwerksdüsen mit Kühlkanälen, verursacht werden, um sicherzustellen, dass diese ordnungsgemäß funktionieren.
Beispielsweise nutzt Siemens Energy die HIP-Behandlung zur Herstellung von Gasturbinenschaufeln. Dadurch wird die Porosität gedruckter Teile von 0,5 % auf 0,01 % gesenkt, die Kriechleistung bei hohen Temperaturen um 40 % verbessert und die Schaufeln haben eine Lebensdauer von mehr als 100.000 Stunden.
4. Abschrecken und Anlassen: Das richtige Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit finden
Prinzip des Prozesses:
Abschrecken: Erhitzen der Teile auf eine Temperatur, bei der sie sich in Austenit verwandeln, und anschließendes schnelles Abkühlen (z. B. mit Öl oder Wasser), um eine martensitische Struktur zu erzeugen, die sehr hart ist.
Anlassen: Um Martensit abzubauen, Abschreckspannungen abzubauen und das Material zäher zu machen, halten Sie es auf einer niedrigeren Temperatur (150–650 Grad).
Wo es verwendet werden kann:
Werkzeugstahl: H13-Warmformstahl wird beispielsweise nach dem Drucken bei 1050 Grad abgeschreckt und bei 580 Grad angelassen. Es hat eine Härte von 52 HRC und eine um 50 % höhere thermische Ermüdungsbeständigkeit, wodurch es sich gut für Druckgussformen eignet.
Abschrecken (1050 Grad) und Anlassen bei niedriger Temperatur (200 Grad) machen Edelstahl wie 316L fester und korrosionsbeständiger. Dies macht es zu einer guten Wahl für chemische Geräte.
Nach der Mischkristall- und Alterungsbehandlung kann martensitischer Alterungsstahl wie 18Ni300 eine Festigkeit von bis zu 2000 MPa erreichen. Es wird für hochpräzise Formen oder Teile von Luft- und Raumfahrtstrukturen verwendet.
Boeing nutzt das Abschreck- und Anlassverfahren, um 3D-gedruckte Fahrwerksteile aus Titanlegierung herzustellen. Dadurch sind sie widerstandsfähiger gegen Stöße (35 J/cm²) und behalten gleichzeitig eine hohe Festigkeit, die von der FAA für die Lufttüchtigkeitszertifizierung gefordert wird.
5. Zyklische Wärmebehandlung: Verbesserung der Mikrostruktur von Superlegierungen
Verfahrensprinzip: Die Mikrostruktur des Materials wird durch mehrere Heiz- und Kühlzyklen gesteuert. Dazu gehört die Verfeinerung der Korngröße und eine gleichmäßigere Zusammensetzungsverteilung, was gut für Superlegierungen auf Nickelbasis ist, die schwer zu bearbeiten sind.
Wann zu verwenden:
CMSX-4-Einkristalllegierung: Nach dem Drucken durchläuft sie eine mehrstufige Wärmebehandlung (1280 Grad für 2 Stunden, 1120 Grad für 4 Stunden und 870 Grad für 24 Stunden), um die Dendritentrennung zu beseitigen und sie bei hohen Temperaturen besser zu machen.
Eine zyklische Wärmebehandlung kann die Verteilung von Karbiden verbessern und Legierungen auf Kobalt--Basis wie Stellite um 6 20 % verschleißfester machen, wodurch sie sich gut für Ventildichtflächen eignen.
In einem typischen Szenario verwendete Rolls Royce eine zyklische Wärmebehandlung, um RB3025-Turbinenscheiben für Flugzeugtriebwerke herzustellen. Dadurch wurde die Ermüdungslebensdauer gedruckter Teile bei niedrigen Zyklen von 5.000 Zyklen auf 20.000 Zyklen erhöht, was zur Entstehung einer neuen Motorengeneration beitrug.
6. Trends und Probleme in der Branche
Intelligente Steuerung: KI-Algorithmen ändern die Wärmebehandlungseinstellungen im Handumdrehen, indem sie Temperatur- und Belastungsdaten in Echtzeit im Auge behalten. Damit können Sie „ein Ofen, eine Richtlinie“ exakt regeln.
Verbundprozess: Durch die Kombination von Wärmebehandlung mit HIP, Oberflächenbeschichtung und anderen Prozessen verfügen wir über eine integrierte Lösung namens „Drucken von Wärmebehandlungsbeschichtungen“, die besser und schneller funktioniert.
Materialanpassungsfähigkeit: Um den 3D-Druck nützlicher zu machen, müssen neue Metallmaterialien wie Legierungen mit hoher Entropie und amorphe Legierungen auf innovative Weise wärmebehandelt werden.
Schwierig
Kosten: Die hohen Investitions- und Betriebskosten der HIP-Technologie machen es für kleine und mittlere Unternehmen schwierig, sie sich zu leisten.
Kontrolle der Verformung: Während der Wärmebehandlung können sich komplexe Strukturteile verziehen. Daher muss das Stützdesign durch Simulation verbessert werden.
Standarddefizit: In der Branche gibt es keine einheitlichen Regeln für Wärmebehandlungsprozesse und es muss ein umfassendes Standardsystem für die gesamte Kette vom Material bis zum Teil vorhanden sein.