Waarom is een warmtebehandeling nodig na het 3D-printen van metaal?

1. Het wegwerken van restspanning is de sleutel tot het stoppen van vervorming en scheuren.
Tijdens het 3D-printen van metaal doorloopt het materiaal snelle cycli van verwarming en koeling, waardoor er restspanningen in de producten achterblijven. Bij het laserpoederbedsmeltproces (LPBF) koelt het smeltbad bijvoorbeeld snel af, wat spanning kan veroorzaken op het omringende metaal dat nog niet is gesmolten. Het onderdeel kan buigen, barsten of de maximale maat overschrijden als de spanning te hoog is voor het materiaal. Vliegtuigmotorbladen van titaniumlegering hebben bijvoorbeeld dunne wanden. Als ze na het printen geen hittebehandeling- krijgen, kan de restspanning ertoe leiden dat ze onverwacht breken tijdens de verwerking of het gebruik, wat erg gevaarlijk zou zijn.
Stressreductie-gloeien en andere warmtebehandelingsmethoden kunnen restspanningen heel goed verwijderen. Tijdens het uitgloeiproces worden de stukken verwarmd tot een temperatuur onder het herkristallisatiepunt (meestal 50% tot 70% van het smeltpunt van het materiaal), daar gedurende een bepaalde tijd gehouden en vervolgens geleidelijk afgekoeld. Op dit moment worden de interne dislocaties van het materiaal herschikt, herstellen de korrels en herkristalliseren, en wordt de spanning ontladen. Een specifiek soort turbineschijf werd bijvoorbeeld gedurende 4 uur bij 650 graden uitgegloeid, waardoor de restspanning daalde van 320 MPa naar 80 MPa en de vervorming met 90%. Dit zorgde ervoor dat de bewerking nauwkeurig zou zijn.
2. Verbetering van de microstructuur: ervoor zorgen dat materialen in het algemeen beter werken
De snelle stolling van 3D-printen met metaal kan een ruwe microstructuur en segregatie in de samenstelling veroorzaken, wat de prestaties van de onderdelen kan schaden. LPBF-bedrukt 316L roestvrij staal kan bijvoorbeeld ruwe kolomvormige kristallen hebben en de weerstand tegen vermoeiing is 40% lager dan die van gesmeed staal. Warmtebehandeling kan ervoor zorgen dat dingen beter werken door de microstructuur te beheersen:
Korrelverfijning: Tijdens het gloeien kan het proces van herkristallisatie de korrels kleiner maken. Door bijvoorbeeld geprinte onderdelen van aluminiumlegeringen gedurende 2 uur bij 350 graden uit te gloeien, wordt de korrelgrootte verlaagd van 100 μm naar 20 μm en wordt de vloeigrens met 15% verhoogd.
Beheersing van faseverandering: wanneer u staal afschrikt en tempert, kunt u een dubbele-fasestructuur maken, bestaande uit martensiet en restausteniet. De hardheid van met vormstaal bedrukte componenten loopt bijvoorbeeld op tot 58HRC nadat ze zijn geblust op 1050 graden en getemperd op 200 graden. De slijtvastheid is drie keer hoger dan die van onbehandelde onderdelen.
Het wegwerken van gebreken: De synergetische werking van hoge temperaturen (doorgaans 0,7–0,9 keer het smeltpunt van het materiaal) en hoge druk (100–200 MPa) bij behandeling met heet isostatisch persen (HIP) kan interne gaten en microscheuren in delen dichten. Na een HIP-behandeling steeg de dichtheid van hoge--temperatuurlegeringsonderdelen voor een bepaalde luchtvaartmotor van 99,2% naar 99,99%, en gingen de onderdelen vijf keer langer mee.
3. Voldoe aan hoge-sterktenormen om de mechanische prestaties te verbeteren.
De mechanische eigenschappen van 3D-geprinte metalen voorwerpen zijn vaak niet zo goed als die welke met traditionele methoden zijn gemaakt. Warmtebehandeling kan ze echter veel sterker, harder en taaier maken.
Door een afschrikbehandeling ontstaat een martensitische structuur door deze snel af te koelen, waardoor deze veel harder wordt. De treksterkte van geprinte onderdelen gemaakt van een op nikkel-gebaseerde hoge--legering ging bijvoorbeeld van 850 MPa naar 1200 MPa na afschrikken bij 1120 graden.
Betere taaiheid: Temperen kan de uitdovende stress wegnemen en de zaken moeilijker maken. Na blussen en temperen bij 550 graden ging de slagvastheid van een bedrukt gedeelte van de transmissieas van een auto bijvoorbeeld van 15 J/cm² naar 35 J/cm², wat voldeed aan de veiligheidsnormen voor botsingen.
Maximaliseren van vermoeiingsprestaties: Warmtebehandeling kan de levensduur van een materiaal aanzienlijk verlengen door de microstructuur en restspanning te beheersen. Tweevoudig uitgloeien (700 graden gedurende 2 uur en 500 graden gedurende 4 uur) verhoogde bijvoorbeeld de vermoeidheidslimiet van orthopedische implantaten van titaniumlegeringen van 450 MPa naar 600 MPa, wat genoeg is om het gewicht van het lichaam op lange- termijn te ondersteunen.
4. Zorg ervoor dat de afmetingen stabiel blijven: stem overeen met de normen voor een nauwkeurige montage.
Na het printen kunnen 3D-geprinte metalen stukken van formaat veranderen vanwege restspanningsvrijgave of veranderingen in de microstructuur. Dit kan het moeilijker maken om ze correct samen te stellen. Warmtebehandeling kan de maatstabiliteit veel verbeteren door de microstructuur te stabiliseren en spanning weg te nemen.
Lagere vervorming: Een gloeibehandeling kan het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt tussen onderdelen verkleinen en de vervorming van de bewerking verminderen. Na het uitgloeien daalde bijvoorbeeld de diameterafwijking van een geprint onderdeel voor een complexe stroomkanaalwarmtewisselaar van ± 0,15 mm naar ± 0,05 mm, wat voldeed aan de normen voor afdichtingsvloeistoffen.
Stabiliteit in de loop van de tijd: Kunstmatige veroudering en andere verouderingsbehandelingen kunnen oververzadigde vaste oplossingen in materialen verwijderen en voorkomen dat ze in de loop van de tijd te veel van grootte veranderen. Zo daalde de mate van maatverandering voor geprinte onderdelen van aluminiumlegeringen van 0,3% per jaar naar 0,05% per jaar na 8 uur veroudering bij 170 graden. Dit voldeed aan de langetermijnservicebehoeften van de lucht- en ruimtevaart.
5. Voldoen aan unieke prestatiebehoeften: verbreding van het toepassingsbereik
Warmtebehandeling kan ook specifieke eigenschappen van 3D-geprinte metalen voorwerpen opleveren, waardoor ze op meer plaatsen bruikbaar zijn:
Verbeterde weerstand tegen corrosie: Behandeling met vaste oplossingen kan de tweede fase in het materiaal oplossen, waardoor het minder waarschijnlijk is dat het door elektrochemische middelen corrodeert. Na behandeling met een oplossing bij 1050 graden ging het putpotentieel van 316L roestvrijstalen geprinte componenten bijvoorbeeld van 320 mV naar 450 mV, wat goed is voor gebruik in maritieme omstandigheden.
Controle van magnetische eigenschappen: Warmtebehandeling kan de korreloriëntatie en restspanning van zachte magnetische materialen veranderen om hun magnetische eigenschappen te verbeteren. Nadat het bijvoorbeeld tot 750 graden is verwarmd, gaat de magnetische permeabiliteit van een bepaald onderdeel van een magneetklep met 20% omhoog, en de hoeveelheid energie die het gebruikt met 15%.
Verbetering van de biocompatibiliteit: Medische implantaten moeten worden verwarmd om oppervlakteverontreinigingen te verwijderen en een passivatiefilm te maken. Na zuurwassen en uitgloeien bij 500 graden ging de oppervlakteruwheid Ra van orthopedische implantaten van titaniumlegeringen bijvoorbeeld van 3,2 μm naar 0,8 μm, en ging de celadhesiesnelheid met 40% omhoog.