لماذا تعد المعالجة الحرارية ضرورية بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن؟

1. التخلص من الإجهاد المتبقي هو المفتاح لوقف التشوه والتشقق.
أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن، تمر المادة بدورات سريعة من التسخين والتبريد، مما يترك توترات متبقية في المنتجات. على سبيل المثال، في عملية ذوبان طبقة المسحوق بالليزر (LPBF)، يبرد حوض الذوبان بسرعة، مما قد يضع ضغطًا على المعدن المحيط الذي لم يذوب بعد. قد ينحني الجزء أو يتشقق أو يتجاوز الحد الأقصى للحجم إذا كان الضغط مرتفعًا جدًا بالنسبة للمادة. على سبيل المثال، تحتوي شفرات محركات الطائرات المصنوعة من سبائك التيتانيوم على جدران رقيقة. إذا لم تتم معالجتها بالحرارة-بعد الطباعة، فقد يتسبب التوتر المتبقي في كسرها بشكل غير متوقع أثناء المعالجة أو الاستخدام، وهو ما قد يكون خطيرًا للغاية.
يمكن للتليين لتقليل الإجهاد وطرق المعالجة الحرارية الأخرى التخلص من الإجهاد المتبقي بشكل جيد للغاية. أثناء عملية التلدين، يتم تسخين القطع إلى درجة حرارة أقل من نقطة إعادة البلورة (عادة 50% إلى 70% من نقطة انصهار المادة)، ويتم الاحتفاظ بها هناك لفترة محددة من الوقت، ثم يتم تبريدها تدريجيًا. في هذا الوقت، يتم إعادة ترتيب الاضطرابات الداخلية للمادة، وتتعافى الحبوب وتتبلور مرة أخرى، ويتم تفريغ الضغط. على سبيل المثال، تم تلدين نوع معين من قرص التوربين عند 650 درجة لمدة 4 ساعات، مما أدى إلى تقليل الضغط المتبقي من 320MPa إلى 80MPa والتشوه بنسبة 90%. هذا يضمن أن المعالجة ستكون دقيقة.
2. تحسين البنية المجهرية: جعل المواد تعمل بشكل أفضل بشكل عام
يمكن أن يؤدي التصلب السريع للطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن إلى بنية مجهرية خشنة وفصل تركيبي، مما قد يؤدي إلى الإضرار بأداء الأجزاء. على سبيل المثال، قد يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ LPBF-المطبوع 316L على بلورات عمودية خشنة، وتكون مقاومة الكلال أقل بنسبة 40% من مقاومة الفولاذ المطروق. يمكن للمعالجة الحرارية أن تجعل الأشياء تعمل بشكل أفضل من خلال التحكم في البنية المجهرية:
صقل الحبوب: أثناء عملية التلدين، يمكن لعملية إعادة البلورة أن تجعل الحبوب أصغر. على سبيل المثال، تلدين الأجزاء المطبوعة من سبائك الألومنيوم عند 350 درجة لمدة ساعتين يقلل حجم الحبوب من 100 ميكرومتر إلى 20 ميكرومتر ويزيد من قوة الخضوع بنسبة 15%.
التحكم في تغير الطور: عند إخماد وتلطيف الفولاذ، يمكنك إنشاء هيكل ثنائي الطور-يشتمل على المارتينسيت والأوستينيت المتبقي. على سبيل المثال، تصل صلابة المكونات المطبوعة من الفولاذ القالب إلى 58HRC بعد التسقية عند 1050 درجة والتلطيف عند 200 درجة. مقاومة التآكل أعلى بثلاث مرات من مقاومة الأجزاء التي لم تتم معالجتها.
التخلص من العيوب: يمكن للعمل التآزري لدرجة الحرارة المرتفعة (عادة 0.7-0.9 مرة نقطة انصهار المادة) والضغط العالي (100-200MPa) في معالجة الضغط المتوازن الساخن (HIP) أن يغلق الثقوب الداخلية والشقوق الصغيرة في الأجزاء. بعد معالجة HIP، ارتفعت كثافة الأجزاء المصنوعة من السبائك ذات درجة الحرارة العالية-لمحرك طيران معين من 99.2% إلى 99.99%، كما استمرت الأجزاء لفترة أطول بخمس مرات.
3. تلبية معايير القوة- العالية لتحسين الأداء الميكانيكي.
في كثير من الأحيان، لا تكون الصفات الميكانيكية للعناصر المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بنفس جودة تلك المصنوعة باستخدام الطرق التقليدية. ومع ذلك، فإن المعالجة الحرارية يمكن أن تجعلها أقوى وأصعب وأكثر صلابة.
يؤدي العلاج بالتبريد إلى إنشاء بنية مارتنسيتية عن طريق تبريدها بسرعة، مما يجعل الأمر أكثر صعوبة. على سبيل المثال، زادت قوة الشد للأجزاء المطبوعة المصنوعة من سبيكة النيكل- ذات درجة الحرارة العالية- من 850 ميجا باسكال إلى 1200 ميجا باسكال بعد التبريد عند درجة حرارة 1120 درجة.
صلابة أفضل: يمكن للتلطيف أن يتخلص من التوتر ويجعل الأمور أكثر صرامة. على سبيل المثال، بعد التبريد والتلطيف عند 550 درجة، فإن متانة الصدمات للقسم المطبوع من عمود نقل السيارة انتقلت من 15J/cm² إلى 35J/cm²، وهو ما يلبي معايير السلامة للتصادمات.
تعظيم أداء التعب: يمكن للمعالجة الحرارية أن تطيل عمر المادة بشكل كبير من خلال التحكم في بنيتها الدقيقة والإجهاد المتبقي. على سبيل المثال، أدى التلدين المزدوج (700 درجة لمدة ساعتين و500 درجة لمدة 4 ساعات) إلى رفع حد الكلال لزراعة العظام من سبائك التيتانيوم من 450 ميجا باسكال إلى 600 ميجا باسكال، وهو ما يكفي لدعم وزن الجسم على المدى الطويل-.
4. تأكد من ثبات الأبعاد: مطابقة معايير التجميع الدقيق.
بعد الطباعة، قد يتغير حجم القطع المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بسبب إطلاق الضغط المتبقي أو التغيرات في البنية المجهرية. وهذا يمكن أن يجعل من الصعب تجميعها معًا بشكل صحيح. يمكن للمعالجة الحرارية أن تجعل استقرار الأبعاد أفضل بكثير من خلال تثبيت البنية المجهرية والتخلص من التوتر.
تشوه أقل: يمكن أن تؤدي معالجة التلدين إلى تقليل الفرق في معامل التمدد الحراري بين الأجزاء وتقليل تشوه المعالجة. على سبيل المثال، بعد التلدين، انخفض انحراف قطر الجزء المطبوع لمبادل حراري لقناة تدفق معقدة من ± 0.15 مم إلى ± 0.05 مم، وهو ما يلبي معايير ختم السوائل.
الاستقرار مع مرور الوقت: يمكن للشيخوخة الاصطناعية وعلاجات الشيخوخة الأخرى التخلص من المحاليل الصلبة المفرطة التشبع في المواد ومنعها من تغيير الحجم بشكل كبير بمرور الوقت. على سبيل المثال، انخفض معدل تغير الحجم للأجزاء المطبوعة من سبائك الألومنيوم من 0.3% سنويًا إلى 0.05% سنويًا بعد أن بلغت درجة حرارة 170 درجة لمدة 8 ساعات. وقد أدى هذا إلى تلبية احتياجات الخدمة الطويلة-لصناعة الطيران.
5. تلبية احتياجات الأداء الفريدة: توسيع نطاق الاستخدامات
يمكن أن توفر المعالجة الحرارية أيضًا للعناصر المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد صفات محددة، مما يجعلها مفيدة في أماكن أكثر:
تحسين مقاومة التآكل: يمكن للمعالجة بالمحلول الصلب أن تذيب المرحلة الثانية في المادة، مما يجعلها أقل عرضة للتآكل من خلال الوسائل الكهروكيميائية. على سبيل المثال، بعد معالجتها بمحلول عند 1050 درجة، انتقلت إمكانية التنقر للمكونات المطبوعة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L من 320 مللي فولت إلى 450 مللي فولت، وهو أمر جيد للاستخدام في الظروف البحرية.
التحكم في الخصائص المغناطيسية: يمكن للمعالجة الحرارية أن تغير اتجاه الحبوب والضغط المتبقي للمواد المغناطيسية الناعمة لتحسين خصائصها المغناطيسية. على سبيل المثال، بعد تسخينه إلى 750 درجة، ترتفع النفاذية المغناطيسية لجزء معين من صمام الملف اللولبي بنسبة 20%، وتنخفض كمية الطاقة التي يستخدمها بنسبة 15%.
تحسين التوافق الحيوي: تحتاج الغرسات الطبية إلى التسخين للتخلص من الملوثات السطحية وصنع طبقة تخميل. بعد الغسيل الحمضي والتليين عند 500 درجة، على سبيل المثال، ارتفعت خشونة السطح Ra لزراعة العظام من سبائك التيتانيوم من 3.2 ميكرومتر إلى 0.8 ميكرومتر، وارتفع معدل التصاق الخلايا بنسبة 40٪.