Wat zijn de voordelen van HIP-verwerking bij de na-verwerking van 3D-metaalprinten?

1. Het wegwerken van interne gebreken: van ‘porositeit’ naar ‘nul defecten’
Stolling door niet-evenwicht veroorzaakt door snelle afkoeling kan kleine gaatjes veroorzaken tijdens het 3D-printen van metaal. Aan de andere kant kan het uit elkaar halen van steunstructuren of het niet volledig smelten van poeder macroscopische krimp veroorzaken. Deze gebreken kunnen ervoor zorgen dat er scheuren ontstaan, waardoor de levensduur van de onderdelen aanzienlijk wordt verkort. HIP-technologie repareert defecten met behulp van de volgende methoden:
Poriën sluiten en metalen combineren
Wanneer metalen materialen worden verwarmd tot een hoge temperatuur (meestal 0,5 tot 0,8 keer het smeltpunt van het materiaal) en onder grote druk worden gezet (100 tot 200 MPa), worden ze zeer buigzaam. Gasdruk zorgt ervoor dat het metaal rond de poriën van vorm verandert, contact met elkaar maakt en metallurgische bindingen vormt. Hierdoor neemt het porievolume af totdat het verdwenen is. Na een HIP-behandeling ging de porositeit van de IN718-hogetemperatuurlegering vervaardigd met behulp van de SLM-techniek bijvoorbeeld van 0,8% naar 0,02%, waardoor de dichtheid 99,99% bedroeg, wat de lucht- en ruimtevaartindustrie nodig heeft om ervoor te zorgen dat materialen betrouwbaar zijn.
Genezing van microscheuren
Thermische spanning bij het 3D-printen van metaal kan microscheurtjes veroorzaken. Door de hoge- uitgloeiende werking van de HIP-behandeling wordt restspanning weggenomen, en de hoge- drukomgeving zorgt ervoor dat de breukpunt plastisch buigt, waardoor de scheur wordt gesloten en een stabiele korrelgrensstructuur ontstaat. Experimentele gegevens geven aan dat een HIP-behandeling de scheurdichtheid van 316L roestvrij staal met 90% kan verminderen en de breuktaaiheid met 30% kan verbeteren.
Het verfijnen van de korrels en het uniformer maken van de microstructuur
Het hoge- temperatuurproces van HIP is hetzelfde als een gloeibehandeling, waardoor de onderkoelde structuur of de metastabiele fase kan worden geëlimineerd die ontstaat wanneer SLM snel afkoelt. Na een HIP-behandeling veranderen de grove kolomvormige kristallen van de Ti6Al4V-legering bijvoorbeeld in fijne gelijkassige kristallen en gaat de korrelgrootte van 50 μm naar 10 μm. Dit maakt het materiaal veel flexibeler en beter bestand tegen vermoeidheid.
2. Mechanische prestaties verbeteren: het vinden van de juiste balans tussen sterkte en taaiheid
HIP-verwerking heeft twee effecten op de mechanische eigenschappen van 3D-geprinte metalen onderdelen:
Sterkte en plasticiteit gaan beter samen.
De sterkte van het materiaal kan na een HIP-behandeling iets afnemen (doorgaans met 5% tot 15%), maar de plasticiteitsindicatoren, zoals rek, gaan veel omhoog. Na een HIP-behandeling daalde de treksterkte van de AlSi10Mg-aluminiumlegering geproduceerd met de SLM-techniek bijvoorbeeld van 420 MPa naar 380 MPa, maar de rek steeg van 8% naar 15%, wat goed is voor lichtgewicht structurele onderdelen in auto's.
Een aanzienlijke verbetering van de weerstand tegen vermoeidheid
De belangrijkste reden voor de groei van vermoeiingsscheuren zijn interne gebreken. Door poriën en microscheurtjes te verwijderen, verlengt een HIP-behandeling de levensduur van onderdelen aanzienlijk. De levensduur bij hoge- temperatuurvermoeidheid van de IN718-legering behandeld met HIP bij 650 graden en 690 MPa is bijvoorbeeld gestegen van 50 uur zonder behandeling naar 173 uur. Dit voldoet aan de levensduurvereisten van GE-vliegtuigmotoren voor essentiële onderdelen.
Anisotrope verwijdering
De verbindingseigenschappen tussen de lagen van 3D-printen met metaal kunnen ervoor zorgen dat de mechanische eigenschappen in verschillende richtingen verschillend zijn. Het materiaal werkt in alle richtingen op dezelfde manier wanneer het wordt behandeld met HIP, waarbij gebruik wordt gemaakt van 360 graden uniforme druk. Het verschil in radiale en axiale wrijvingscoëfficiënten tussen keramische kogels van siliciumnitride behandeld met HIP is bijvoorbeeld minder dan 5%, wat veel beter is dan standaard sintermethoden.
3. Verbreding van het toepassingsgebied: van ‘beschikbaar’ naar ‘betrouwbaar’
HIP-verwerking helpt bij de technische kant van het gebruik van 3D-printtechnologie voor metaal op grote schaal in gebieden waar er veel vraag naar is.
Lucht- en ruimtevaartsector
Turbinebladen, verbrandingskamers en andere delen van een vliegtuigmotor moeten kunnen werken in situaties met hoge temperaturen, hoge drukken en hoge spanningen. Met een HIP-behandeling kunnen thermische spanningsscheuren worden verholpen die optreden wanneer het SLM-proces te snel afkoelt, en het kan materialen ook beter maken bij kruip bij hoge- temperaturen. Rolls Royce maakt bijvoorbeeld gebruik van HIP-behandelde nikkel-gebaseerd op hoge- temperatuurlegeringen die de bedrijfstemperatuur verhogen van 1200 naar 1400 graden Celsius en de stuwkracht-tot-gewichtsverhouding met 20%.
Gebied van medische implantaten
Orthopedische implantaten moeten sterk en veilig zijn voor het lichaam. Een HIP-behandeling kan de alfafase-segregatie in de Ti6Al4V-legering wegnemen, de kans verkleinen dat metaalionen weglekken en ervoor zorgen dat het materiaal langer meegaat onder stress. Klinisch bewijs geeft aan dat het percentage mislukkingen van heupimplantaten die aan HIP zijn onderworpen, na tien jaar is afgenomen van 3% naar 0,5%.
De energie- en scheepvaartindustrie
Onderdelen zoals drukvaten van kernreactoren en diepzeesensorbehuizingen- moeten bestand zijn tegen zeer zware omstandigheden. Het met HIP-behandelde zirkoniumoxide-keramiek kan een hoge druk van 110 MPa in de diepzee aan, en het met siliciumcarbide-gecoate brandstofelement kan stabiel blijven bij hoge temperaturen van 1200 graden. Deze materialen zijn van groot belang voor de vierde generatie kernenergietechnologie.