Quins són els mètodes de tractament tèrmic habituals per a la impressió 3D de metalls?

1. Tractament de recuit: elimina l'estrès sobrant i fa que les dimensions siguin més estables.
El procés de recuit consisteix a escalfar la peça a una temperatura determinada (generalment per sota de la temperatura de recristal·lització), mantenir-la allà durant un temps determinat i després refredar-la lentament. Això allibera l'estrès intern en el material, refina o recristal·litza els grans i millora el rendiment del processament i l'estabilitat dimensional.
On utilitzar-lo:
Alleujament de l'estrès: el mètode de fusió del llit de pols làser (SLM) pot deixar estrès residual ja que es refreda tan ràpidament. El recuit pot ajudar a reduir els nivells d'estrès per evitar que el material es doblegui o es dividi durant el processament o l'ús posterior. Per exemple, les peces estructurals de l'aeronau sovint es recuit a 600-650 graus després de la impressió, la qual cosa redueix l'estrès en més d'un 80%.
Millora de la plasticitat: el recuit perfecciona la mida del gra de les peces d'aliatge de titani impreses (com Ti6Al4V) i augmenta el seu allargament entre un 15% i un 20%, millorant-les per a les peces que s'han de formar en fred.
Estabilització dimensional: els motlles de precisió o les peces òptiques poden aturar la deriva dimensional que es produeix quan s'allibera la tensió mitjançant el tractament de recuit, que compleix els estàndards d'alt{0}}precisió.
En el cas de fabricar broquets de combustible per a motors LEAP, GE Aviation va utilitzar la tecnologia de recuit per reduir la tensió residual de les peces impreses de 300MPa a menys de 50MPa. Això va fer que les peces fossin molt més estables en configuracions d'alta-pressió i alta-temperatura.
2. Tractament amb solució i envelliment: enfortint l'aliatge
Principi del procés:
Tractament de la solució sòlida: escalfament de l'aliatge a una zona d'alta-temperatura monofàsica-per dissoldre completament els àtoms de solut, generant una solució sòlida sobresaturada, seguida d'un refredament ràpid (com ara l'extinció d'aigua) per preservar l'estructura d'alta-temperatura.
Tractament temporal: manteniu la solució sòlida sobresaturada a una temperatura més baixa (normalment entre 100 i 500 graus) per trencar-la i formar fases de reforç com la "fase". Això farà que el material sigui molt més fort i dur.
Exemple d'ús:
Els aliatges d'alta-temperatura basats en níquel-com l'Inconel 718 necessiten un tractament amb solució sòlida (980–1010 graus) i un tractament d'envelliment (720 graus × 8h+620 grau × 8h) després de la impressió. Tenen una resistència a la tracció de més de 1500 MPa, que és prou resistent per als discos de turbina de motor d'avions.
L'aliatge d'alumini, com l'AlSi10Mg, es torna un 30% més dur després del tractament tèrmic T6 (envelliment de la solució sòlida de 505 graus + 170 graus). Això fa que sigui bo per a peces estructurals lleugeres.
Per obtenir la millor combinació de força i duresa, l'aliatge de titani Ti6Al4V es tracta amb una solució sòlida (950 graus) i envelliment (550 graus). Això fa que sigui bo per als implants ortopèdics.
Per exemple, la cambra de combustió del motor Raptor de SpaceX està construïda amb peces impreses d'Inconel 718 que es mantenen fortes fins i tot després d'escalfar-se a 2000 graus centígrads durant molt de temps, cosa que permet utilitzar coets una i altra vegada.
3. Pressió isostàtica en calent (HIP): desfer-se dels defectes interns i fent el material més dens
Principi del procés: a HIP, les peces es posen en un recipient d'alta pressió-i s'exposen a una atmosfera de gas inert (com l'argó) amb una temperatura elevada (normalment 1000-1200 graus) i alta pressió (100-200 MPa). Això fa que el material canviï de forma, tanqui porus i microesquerdes i assoleixi gairebé el 100% de densitat.
Cas d'ús:
Les pales de les turbines i les cambres de combustió són dues parts importants dels avions que han de ser capaços de suportar temperatures i tensions molt elevades. El tractament amb maluc pot solucionar problemes amb la unió entre capes i fer que la vida a la fatiga sigui de 3 a 5 vegades més llarga.
El tractament HIP s'utilitza en implants mèdics, com ara copes acetabulars i dispositius de fusió espinal, per assegurar-se que els materials estan lliures de porus-, reduir el perill d'alliberament d'ions metàl·lics i complir els estrictes estàndards de biocompatibilitat de la FDA.
HIP pot solucionar problemes causats pel suport intern sobrant en peces estructurals complexes, incloses les broquets del motor amb canals de refrigeració, per assegurar-se que funcionen bé.
Per exemple, Siemens Energy utilitza el tractament HIP per fabricar pales de turbines de gas. Això redueix la porositat de les peces impreses del 0,5% al ​​0,01%, millora un 40% el rendiment de fluència a alta-temperatura i ofereix a les fulles una vida útil de més de 100.000 hores.
4. Temprament i tremp: trobar l'equilibri adequat entre duresa i tenacitat
Principi del procés:
Escalfament: escalfar les peces a la temperatura on es converteixen en austenita i després refredar-les ràpidament (per exemple, amb oli o aigua) per fer una estructura martensítica molt dura.
Tremp: per descompondre la martensita, desfer-se de l'estrès d'extinció i fer el material més resistent, mantenir-lo a una temperatura més baixa (150-650 graus).
On es pot utilitzar:
Acer per a eines: l'acer del motlle de treball en calent H13, per exemple, s'apaga a 1050 graus i es tempera a 580 graus després de la impressió. Té una duresa de 52 HRC i un augment del 50% en el rendiment de la fatiga tèrmica, el que el fa bo per a motlles de fosa a pressió-.
El tremp (1050 graus) i el tremp a baixa -temperatura (200 graus) fan que l'acer inoxidable, com el 316L, sigui més fort i més resistent a la corrosió. Això fa que sigui una bona opció per a equips químics.
Després d'una solució sòlida i un tractament d'envelliment, l'acer d'envelliment martensític com el 18Ni300 pot assolir una resistència de fins a 2000 MPa. S'utilitza per a motlles d'alta-precisió o parts d'estructures aeroespacials.
Boeing utilitza el procés de trempat per fer peces de tren d'aterratge d'aliatge de titani impreses en 3D. Això els fa més resistents als impactes (35J/cm²) alhora que mantenen la seva resistència alta, que és el que requereix la FAA per a la certificació d'aeronavegabilitat.
5. Tractament tèrmic cíclic: millora de la microestructura dels superaliatges
Principi del procés: La microestructura del material es controla passant per diversos cicles de calefacció i refrigeració. Això inclou refinar la mida del gra i fer que la distribució de la composició sigui més uniforme, cosa que és bo per als superaliatges basats en níquel-que són difícils de mecanitzar.
Quan utilitzar:
Aliatge monocristal CMSX-4: després de la impressió, passa per un tractament tèrmic en diverses etapes (1280 graus durant 2 hores, 1120 graus durant 4 hores i 870 graus durant 24 hores) per desfer-se de la segregació de dendrites i millorar-la a altes temperatures.
El tractament tèrmic cíclic pot millorar la distribució dels carburs i fer que els aliatges basats en cobalt-com Stellite 6 20% siguin més resistents al desgast, fent-los bons per a superfícies de segellat de vàlvules.
En un escenari típic, Rolls Royce va utilitzar un tractament tèrmic cíclic per fabricar discos de turbina de motor d'avió RB3025. Això va augmentar la vida útil de baix cicle de fatiga de les peces impreses de 5.000 cicles a 20.000 cicles, cosa que va ajudar a fer una nova generació de motors.
6. Tendències i problemes de la indústria
Control intel·ligent: els algorismes d'IA canvien la configuració del tractament tèrmic sobre la marxa controlant les dades de temperatura i estrès en temps real. Això us permet regular exactament "un forn, una política".
Procés compost: combinant el tractament tèrmic amb HIP, recobriment superficial i altres processos, tenim una solució integrada anomenada "revestiment de tractament tèrmic d'impressió" que funciona millor i més ràpid.
Adaptabilitat dels materials: per fer que la impressió 3D sigui més útil, els nous materials metàl·lics com els aliatges d'alta entropia i els aliatges amorfs s'han de tractar tèrmicament-de maneres innovadores.
Difícil
Cost: la gran inversió i les despeses d'explotació de la tecnologia HIP fan que les petites i mitjanes empreses{0}}s'ho puguin permetre.
Control de la deformació: durant el tractament tèrmic, les peces estructurals complexes es poden deformar, per tant, cal millorar el disseny del suport mitjançant la simulació.
Deficiència estàndard: la indústria no té un únic conjunt de regles per als processos de tractament tèrmic, i cal que hi hagi un sistema estàndard de cadena complet des dels materials fins a les peces.