Tại sao cần xử lý nhiệt sau khi in 3D kim loại?

1. Loại bỏ ứng suất dư là chìa khóa để ngăn chặn sự biến dạng và nứt.
Trong quá trình in 3D kim loại, vật liệu trải qua các chu kỳ làm nóng và làm mát nhanh chóng, điều này để lại lực căng còn sót lại trong sản phẩm. Ví dụ, trong quy trình nấu chảy bột bằng laser (LPBF), bể tan chảy nguội đi nhanh chóng, điều này có thể gây áp lực lên kim loại xung quanh chưa tan chảy. Bộ phận có thể bị uốn cong, nứt hoặc vượt quá giới hạn kích thước nếu ứng suất quá cao đối với vật liệu. Ví dụ, cánh động cơ máy bay bằng hợp kim titan có thành mỏng. Nếu chúng không được xử lý nhiệt-sau khi in, lực căng dư có thể khiến chúng bị gãy bất ngờ trong quá trình xử lý hoặc sử dụng, điều này sẽ rất nguy hiểm.
Ủ giảm ứng suất và các phương pháp xử lý nhiệt khác có thể loại bỏ ứng suất dư rất tốt. Trong quá trình ủ, các mảnh được nung nóng đến nhiệt độ dưới điểm kết tinh lại (thường là 50% đến 70% điểm nóng chảy của vật liệu), giữ ở đó trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó được làm nguội dần dần. Tại thời điểm này, các sai lệch bên trong của vật liệu được sắp xếp lại, các hạt phục hồi và kết tinh lại, đồng thời ứng suất được giải phóng. Ví dụ, một loại đĩa tuabin cụ thể được ủ ở nhiệt độ 650 độ trong 4 giờ, giúp giảm ứng suất dư từ 320MPa xuống 80MPa và độ biến dạng giảm 90%. Điều này đảm bảo rằng việc gia công sẽ chính xác.
2. Cải thiện cấu trúc vi mô: làm cho vật liệu hoạt động tốt hơn về tổng thể
Quá trình hóa rắn nhanh chóng của in 3D kim loại có thể gây ra sự thô ráp của cấu trúc vi mô và sự phân chia thành phần, có thể làm hỏng hiệu suất của các bộ phận. Ví dụ: thép không gỉ 316L in LPBF-có thể có tinh thể dạng cột thô và khả năng chống mỏi của nó thấp hơn 40% so với thép rèn. Xử lý nhiệt có thể làm cho mọi thứ hoạt động tốt hơn bằng cách kiểm soát cấu trúc vi mô:
Tinh chế hạt: Trong quá trình ủ, quá trình kết tinh lại có thể làm cho hạt nhỏ hơn. Ví dụ, ủ các bộ phận được in bằng hợp kim nhôm ở nhiệt độ 350 độ trong 2 giờ giúp giảm kích thước hạt từ 100 μm xuống 20 μm và tăng cường độ năng suất lên 15%.
Kiểm soát sự thay đổi pha: Khi tôi và tôi luyện thép, bạn có thể tạo ra cấu trúc hai pha bao gồm martensite và austenite dư. Ví dụ, độ cứng của các bộ phận in bằng thép khuôn lên tới 58HRC sau khi được tôi ở 1050 độ và ram ở 200 độ. Khả năng chống mài mòn cao gấp ba lần so với các bộ phận chưa được xử lý.
Loại bỏ các sai sót: Tác động tổng hợp của nhiệt độ cao (thường là 0,7–0,9 lần điểm nóng chảy của vật liệu) và áp suất cao (100–200MPa) trong quá trình xử lý ép đẳng tĩnh nóng (HIP) có thể đóng các lỗ bên trong và các vết nứt nhỏ ở các bộ phận. Sau khi xử lý bằng HIP, mật độ của các bộ phận bằng hợp kim ở nhiệt độ cao-cho một động cơ hàng không nhất định đã tăng từ 99,2% lên 99,99% và các bộ phận này có tuổi thọ lâu hơn gấp 5 lần.
3. Đáp ứng các tiêu chuẩn về độ bền-cao để cải thiện hiệu suất cơ học.
Chất lượng cơ học của các sản phẩm in 3D kim loại thường không tốt bằng các sản phẩm được làm bằng phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, xử lý nhiệt có thể làm cho chúng mạnh hơn, cứng hơn và dai hơn.
Việc xử lý làm nguội tạo ra cấu trúc martensitic bằng cách làm nguội nhanh chóng, điều này khiến việc xử lý trở nên khó khăn hơn nhiều. Ví dụ: độ bền kéo của các bộ phận in làm bằng hợp kim nhiệt độ cao-dựa trên niken đã tăng từ 850 MPa lên 1200 MPa sau khi tôi ở nhiệt độ 1120 độ .
Độ dẻo dai tốt hơn: Quá trình ủ có thể loại bỏ căng thẳng và làm cho mọi thứ trở nên cứng rắn hơn. Ví dụ, sau khi tôi và tôi ở nhiệt độ 550 độ, độ bền va đập của phần in trên trục hộp số ô tô tăng từ 15J/cm2 lên 35J/cm2, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn khi va chạm.
Tối đa hóa hiệu suất mỏi: Xử lý nhiệt có thể kéo dài tuổi thọ của vật liệu một cách đáng kể bằng cách kiểm soát cấu trúc vi mô và ứng suất dư của nó. Ví dụ: ủ hai lần (700 độ trong 2 giờ và 500 độ trong 4 giờ) đã nâng giới hạn mỏi của bộ phận cấy ghép chỉnh hình bằng hợp kim titan từ 450 MPa lên 600 MPa, đủ để hỗ trợ trọng lượng-lâu dài của cơ thể.
4. Đảm bảo kích thước ổn định: phù hợp với tiêu chuẩn để lắp ráp chính xác.
Sau khi in, các mảnh in 3D kim loại có thể thay đổi kích thước do giải phóng ứng suất dư hoặc thay đổi cấu trúc vi mô. Điều này có thể làm cho việc đặt chúng lại với nhau một cách chính xác trở nên khó khăn hơn. Xử lý nhiệt có thể làm cho độ ổn định kích thước tốt hơn nhiều bằng cách ổn định cấu trúc vi mô và loại bỏ lực căng.
Biến dạng thấp hơn: Xử lý ủ có thể làm giảm sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa các bộ phận và biến dạng gia công thấp hơn. Ví dụ, sau khi ủ, độ lệch đường kính của bộ phận được in đối với bộ trao đổi nhiệt kênh dòng chảy phức tạp đã giảm từ ± 0,15 mm xuống ± 0,05 mm, đáp ứng các tiêu chuẩn để bịt kín chất lỏng.
Tính ổn định theo thời gian: Lão hóa nhân tạo và các phương pháp xử lý lão hóa khác có thể loại bỏ dung dịch rắn siêu bão hòa trong vật liệu và ngăn chúng thay đổi kích thước quá nhiều theo thời gian. Ví dụ, tốc độ thay đổi kích thước của các bộ phận in bằng hợp kim nhôm giảm từ 0,3% mỗi năm xuống 0,05% mỗi năm sau khi được ủ ở 170 độ trong 8 giờ. Điều này đáp ứng-nhu cầu dịch vụ lâu dài của ngành hàng không vũ trụ.
5. Đáp ứng nhu cầu hiệu suất độc đáo: mở rộng phạm vi sử dụng
Xử lý nhiệt cũng có thể mang lại những phẩm chất cụ thể cho các sản phẩm in 3D bằng kim loại, khiến chúng hữu ích ở nhiều nơi hơn:
Cải thiện khả năng chống ăn mòn: Xử lý bằng dung dịch rắn có thể hòa tan pha thứ hai trong vật liệu, khiến vật liệu ít bị ăn mòn thông qua các phương tiện điện hóa. Ví dụ, sau khi được xử lý bằng dung dịch ở nhiệt độ 1050 độ, khả năng tạo vết rỗ của các bộ phận in bằng thép không gỉ 316L tăng từ 320mV lên 450mV, rất phù hợp để sử dụng trong điều kiện hàng hải.
Kiểm soát đặc tính từ: Xử lý nhiệt có thể thay đổi hướng hạt và ứng suất dư của vật liệu từ mềm để làm cho tính chất từ ​​của chúng tốt hơn. Ví dụ, sau khi được làm nóng đến 750 độ, độ thấm từ của một bộ phận nhất định của van điện từ tăng 20% ​​và lượng năng lượng mà nó sử dụng giảm 15%.
Cải thiện khả năng tương thích sinh học: Cấy ghép y tế cần được làm nóng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm bề mặt và tạo ra màng thụ động. Ví dụ, sau khi rửa axit và ủ ở 500 độ, độ nhám bề mặt Ra của cấy ghép chỉnh hình bằng hợp kim titan đã tăng từ 3,2 μm lên 0,8 μm và tốc độ bám dính của tế bào tăng 40%.