Warum ist nach dem Metall-3D-Druck eine Wärmebehandlung notwendig?

1. Der Abbau von Eigenspannungen ist der Schlüssel zum Verhindern von Verformungen und Rissen.
Beim 3D-Druck von Metall durchläuft das Material schnelle Aufheiz- und Abkühlzyklen, wodurch Restspannungen in den Produkten zurückbleiben. Beim Laser-Pulverbettschmelzverfahren (LPBF) beispielsweise kühlt das Schmelzbad schnell ab, was zu einer Belastung des umgebenden, noch nicht geschmolzenen Metalls führen kann. Das Teil kann sich verbiegen, reißen oder die Größenbeschränkung überschreiten, wenn die Belastung für das Material zu hoch ist. Beispielsweise haben Flugzeugtriebwerksschaufeln aus Titanlegierung dünne Wände. Wenn sie nach dem Drucken nicht wärmebehandelt werden, kann die Restspannung dazu führen, dass sie während der Verarbeitung oder Verwendung unerwartet brechen, was sehr gefährlich wäre.
Spannungsreduzierungsglühen und andere Wärmebehandlungsmethoden können Restspannungen sehr gut beseitigen. Während des Glühvorgangs werden die Stücke auf eine Temperatur unterhalb des Rekristallisationspunkts (typischerweise 50 % bis 70 % des Schmelzpunkts des Materials) erhitzt, für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten und dann zunehmend abgekühlt. Zu diesem Zeitpunkt werden die inneren Versetzungen des Materials neu angeordnet, die Körner erholen sich und rekristallisieren und die Spannung wird abgebaut. Beispielsweise wurde eine bestimmte Art von Turbinenscheibe vier Stunden lang bei 650 Grad geglüht, wodurch die Eigenspannung von 320 MPa auf 80 MPa und die Verformung um 90 % gesenkt wurden. Dies stellte sicher, dass die Bearbeitung präzise war.
2. Mikrostruktur verbessern: Materialien insgesamt besser funktionieren lassen
Die schnelle Verfestigung beim 3D-Druck von Metall kann zu einer rauen Mikrostruktur und Zusammensetzungstrennung führen, was die Leistung der Teile beeinträchtigen kann. Beispielsweise kann LPBF-bedruckter 316L-Edelstahl raue säulenförmige Kristalle aufweisen und seine Ermüdungsbeständigkeit ist 40 % geringer als die von geschmiedetem Stahl. Eine Wärmebehandlung kann die Funktionsweise verbessern, indem sie die Mikrostruktur kontrolliert:
Kornverfeinerung: Beim Glühen kann es durch den Prozess der Rekristallisation zu einer Verkleinerung der Körner kommen. Wenn beispielsweise gedruckte Teile aus Aluminiumlegierung zwei Stunden lang bei 350 Grad geglüht werden, verringert sich die Korngröße von 100 μm auf 20 μm und erhöht sich die Streckgrenze um 15 %.
Kontrolle der Phasenänderung: Wenn Sie Stahl abschrecken und vergüten, können Sie eine zweiphasige Struktur aus Martensit und Restaustenit erzeugen. Beispielsweise steigt die Härte gedruckter Formstahlbauteile auf 58 HRC, nachdem sie bei 1050 Grad abgeschreckt und bei 200 Grad angelassen wurden. Die Verschleißfestigkeit ist dreimal höher als bei unbehandelten Teilen.
Fehler beseitigen: Durch die synergistische Wirkung von hoher Temperatur (typischerweise das 0,7- bis 0,9-fache des Schmelzpunkts des Materials) und hohem Druck (100 bis 200 MPa) bei der Behandlung mit heißisostatischem Pressen (HIP) können innere Löcher und Mikrorisse in Teilen geschlossen werden. Nach der HIP-Behandlung stieg die Dichte von Hochtemperaturlegierungsteilen für ein bestimmtes Flugzeugtriebwerk von 99,2 % auf 99,99 % und die Lebensdauer der Teile war fünfmal länger.
3. Erfüllen Sie hohe -Festigkeitsstandards, um die mechanische Leistung zu verbessern.
Die mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Metallartikeln sind häufig nicht so gut wie die, die mit herkömmlichen Methoden hergestellt werden. Durch eine Wärmebehandlung können sie jedoch deutlich stärker, härter und zäher werden.
Durch die Abschreckbehandlung entsteht durch schnelles Abkühlen eine martensitische Struktur, die sie deutlich härter macht. Beispielsweise stieg die Zugfestigkeit von gedruckten Teilen aus einer Hochtemperaturlegierung auf Nickel--Basis nach dem Abschrecken bei 1120 Grad von 850 MPa auf 1200 MPa.
Höhere Zähigkeit: Durch Anlassen kann die Härtespannung beseitigt und die Festigkeit erhöht werden. Beispielsweise stieg die Schlagzähigkeit eines gedruckten Abschnitts einer Getriebewelle eines Autos nach dem Abschrecken und Anlassen bei 550 Grad von 15 J/cm² auf 35 J/cm², was den Sicherheitsstandards für Kollisionen entspricht.
Maximierung der Ermüdungsleistung: Eine Wärmebehandlung kann die Lebensdauer eines Materials erheblich verlängern, indem seine Mikrostruktur und Eigenspannung kontrolliert werden. Beispielsweise erhöhte das zweifache Glühen (700 Grad für 2 Stunden und 500 Grad für 4 Stunden) die Ermüdungsgrenze von orthopädischen Implantaten aus Titanlegierung von 450 MPa auf 600 MPa, was ausreicht, um das Körpergewicht langfristig zu tragen.
4. Stellen Sie sicher, dass die Abmessungen stabil bleiben: Halten Sie sich an die Standards für eine präzise Montage.
Nach dem Drucken kann sich die Größe 3D-gedruckter Metallteile aufgrund von Restspannungsabbau oder Veränderungen in der Mikrostruktur ändern. Dies kann es schwieriger machen, sie richtig zusammenzusetzen. Eine Wärmebehandlung kann die Dimensionsstabilität erheblich verbessern, indem sie die Mikrostruktur stabilisiert und Spannungen beseitigt.
Geringere Verformung: Eine Glühbehandlung kann den Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Teilen verringern und die Verformung bei der Bearbeitung verringern. Beispielsweise sank nach dem Glühen die Durchmesserabweichung eines gedruckten Teils für einen komplexen Strömungskanal-Wärmetauscher von ± 0,15 mm auf ± 0,05 mm, was den Standards für Dichtungsflüssigkeiten entspricht.
Stabilität im Laufe der Zeit: Künstliche Alterung und andere Alterungsbehandlungen können übersättigte feste Lösungen in Materialien beseitigen und verhindern, dass sich ihre Größe im Laufe der Zeit zu stark verändert. Beispielsweise sank die Größenänderungsrate für gedruckte Teile aus Aluminiumlegierung von 0,3 % pro Jahr auf 0,05 % pro Jahr, nachdem sie 8 Stunden lang bei 170 Grad gealtert wurden. Dies erfüllte den langfristigen Servicebedarf der Luft- und Raumfahrt.
5. Erfüllung einzigartiger Leistungsanforderungen: Erweiterung des Einsatzspektrums
Durch Wärmebehandlung können 3D-gedruckten Metallgegenständen auch spezifische Eigenschaften verliehen werden, die sie an mehr Orten 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.
Steuerung 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 der Energieverbrauch um 15 % sinkt.
Verbesserung der Biokompatibilität: Medizinische Implantate müssen erhitzt werden, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen und einen Passivierungsfilm zu bilden. Nach dem Säurewaschen und Glühen bei 500 Grad stieg beispielsweise die Oberflächenrauheit Ra von orthopädischen Implantaten aus Titanlegierung von 3,2 μm auf 0,8 μm und die Zelladhäsionsrate stieg um 40 %.