¿Cuáles son los métodos comunes de tratamiento térmico para la impresión 3D de metal?

1. Tratamiento de recocido: elimine la tensión sobrante y haga que las dimensiones sean más estables.
El proceso de recocido implica calentar la pieza a una temperatura determinada (generalmente por debajo de la temperatura de recristalización), mantenerla allí durante un período de tiempo determinado y luego enfriarla lentamente. Esto libera la tensión interna en el material, refina o recristaliza los granos y mejora el rendimiento del procesamiento y la estabilidad dimensional.
Dónde usarlo:
Alivio del estrés: el método de fusión por láser en lecho de polvo (SLM) puede dejar estrés residual ya que se enfría muy rápidamente. El recocido puede ayudar a reducir los niveles de tensión para evitar que el material se doble o parta durante el procesamiento o uso posterior. Por ejemplo, las piezas estructurales de los aviones suelen recocerse a 600-650 grados después de la impresión, lo que reduce la tensión en más del 80%.
Mejora de la plasticidad: el recocido refina el tamaño de grano de las piezas impresas de aleación de titanio (como Ti6Al4V) y aumenta su alargamiento entre un 15% y un 20%, lo que las hace mejores para piezas que necesitan ser conformadas en frío.
Estabilización dimensional: los moldes de precisión o las piezas ópticas pueden detener la desviación dimensional que se produce cuando se libera la tensión mediante un tratamiento de recocido, que cumple con altos estándares-de precisión.
En el caso de fabricar boquillas de combustible para motores LEAP, GE Aviation utilizó tecnología de recocido para reducir la tensión residual de las piezas impresas de 300 MPa a menos de 50 MPa. Esto hizo que las piezas fueran mucho más estables en entornos de alta-presión y alta-temperatura.
2. Tratamiento con solución y envejecimiento: fortalecimiento de la aleación.
Principio del proceso:
Tratamiento de solución sólida: calentar la aleación a una zona monofásica- de alta-temperatura para disolver completamente los átomos del soluto, generando una solución sólida sobresaturada, seguido de un enfriamiento rápido (como el enfriamiento con agua) para preservar la estructura de alta-temperatura.
Tratamiento de tiempo: Mantenga la solución sólida sobresaturada a una temperatura más baja (generalmente entre 100 y 500 grados) para descomponerla y formar fases de fortalecimiento como la 'fase'. Esto hará que el material sea mucho más fuerte y duro.
Ejemplo de uso:
Las aleaciones de alta temperatura-a base de níquel-como Inconel 718 necesitan un tratamiento de solución sólida (980-1010 grados) y un tratamiento de envejecimiento (720 grados × 8h+620 grados × 8h) después de la impresión. Tienen una resistencia a la tracción de más de 1500 MPa, que es lo suficientemente fuerte para los discos de turbinas de motores de aviones.
La aleación de aluminio, como AlSi10Mg, se vuelve un 30% más dura después del tratamiento térmico T6 (envejecimiento de solución sólida de 505 grados + 170 grados). Esto lo hace bueno para piezas estructurales livianas.
Para obtener la mejor combinación de resistencia y dureza, la aleación de titanio Ti6Al4V se trata con una solución sólida (950 grados) y envejecido (550 grados). Esto lo hace bueno para implantes ortopédicos.
Por ejemplo, la cámara de combustión del motor Raptor de SpaceX está construida con piezas impresas de Inconel 718 que se mantienen fuertes incluso después de calentarse a 2000 grados Celsius durante mucho tiempo, lo que hace posible utilizar cohetes una y otra vez.
3. Prensado isostático en caliente (HIP): eliminar defectos internos y hacer que el material sea más denso
Principio del proceso: en HIP, las piezas se colocan en un recipiente de alta-presión y se exponen a una atmósfera de gas inerte (como argón) con una temperatura alta (normalmente entre 1000 y 1200 grados) y una presión alta (entre 100 y 200 MPa). Esto hace que el material cambie de forma, cierre poros y microfisuras y alcance casi el 100% de densidad.
Caso de uso:
Las palas de las turbinas y las cámaras de combustión son dos partes importantes de los aviones que deben poder soportar temperaturas y tensiones muy altas. El tratamiento HIP puede solucionar problemas con la unión entre capas y prolongar la vida útil de la fatiga de 3 a 5 veces más.
El tratamiento HIP se utiliza en implantes médicos, incluidas copas acetabulares y dispositivos de fusión espinal, para garantizar que los materiales estén libres de poros-, reducir el peligro de liberación de iones metálicos y cumplir con los estrictos estándares de biocompatibilidad de la FDA.
HIP puede solucionar los problemas causados ​​por los restos de soporte interno en piezas estructurales complejas, incluidas las boquillas del motor con canales de refrigeración, para garantizar que funcionen bien.
Por ejemplo, Siemens Energy utiliza el tratamiento HIP para fabricar álabes de turbinas de gas. Esto reduce la porosidad de las piezas impresas del 0,5 % al 0,01 %, mejora el rendimiento de fluencia a altas temperaturas en un 40 % y proporciona a las hojas una vida útil de más de 100 000 horas.
4. Templado y revenido: encontrar el equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad
Principio del proceso:
Enfriamiento: Calentar las piezas a una temperatura en la que se conviertan en austenita y luego enfriarlas rápidamente (por ejemplo, con aceite o agua) para formar una estructura martensítica que es muy dura.
Templado: para descomponer la martensita, eliminar la tensión de enfriamiento y endurecer el material, manténgalo a una temperatura más baja (150 a 650 grados).
Dónde se puede utilizar:
Acero para herramientas: el acero para moldes de trabajo en caliente H13, por ejemplo, se templa a 1050 grados y se revende a 580 grados después de la impresión. Tiene una dureza de 52 HRC y un aumento del 50 % en el rendimiento de fatiga térmica, lo que lo hace bueno para moldes de fundición a presión.
El enfriamiento (1050 grados) y el revenido a baja-temperatura (200 grados) hacen que el acero inoxidable, como el 316L, sea más fuerte y resistente a la corrosión. Esto lo convierte en una buena opción para equipos químicos.
Después de una solución sólida y un tratamiento de envejecimiento, el acero de envejecimiento martensítico como el 18Ni300 puede alcanzar una resistencia de hasta 2000 MPa. Se utiliza para moldes de alta-precisión o piezas de estructuras aeroespaciales.
Boeing emplea el proceso de templado para fabricar piezas de tren de aterrizaje de aleación de titanio impresas en 3D. Esto los hace más resistentes a los impactos (35J/cm²) y al mismo tiempo mantienen su resistencia alta, que es lo que exige la FAA para la certificación de aeronavegabilidad.
5. Tratamiento térmico cíclico: mejora de la microestructura de las superaleaciones
Principio del proceso: La microestructura del material se controla pasando por varios ciclos de calentamiento y enfriamiento. Esto incluye refinar el tamaño del grano y hacer que la distribución de la composición sea más uniforme, lo cual es bueno para las superaleaciones a base de níquel-que son difíciles de mecanizar.
Cuando usar:
Aleación de monocristal CMSX-4: después de la impresión, pasa por un tratamiento térmico de varias etapas (1280 grados durante 2 horas, 1120 grados durante 4 horas y 870 grados durante 24 horas) para eliminar la segregación de dendritas y mejorarla a altas temperaturas.
El tratamiento térmico cíclico puede mejorar la distribución de los carburos y hacer que las aleaciones a base de cobalto-como Stellite un 6 20% más resistentes al desgaste, lo que las hace buenas para las superficies de sellado de válvulas.
En un escenario típico, Rolls Royce empleó un tratamiento térmico cíclico para fabricar discos de turbina de motor de avión RB3025. Esto aumentó la vida útil de las piezas impresas en ciclos bajos de 5.000 a 20.000 ciclos, lo que ayudó a crear una nueva generación de motores.
6. Tendencias y problemas de la industria
Control inteligente: los algoritmos de IA cambian la configuración del tratamiento térmico sobre la marcha vigilando los datos de temperatura y estrés en tiempo real. Esto le permite regular exactamente "un horno, una póliza".
Proceso compuesto: al combinar el tratamiento térmico con HIP, recubrimiento de superficies y otros procesos, tenemos una solución integrada llamada "recubrimiento de tratamiento térmico de impresión" que funciona mejor y más rápido.
Adaptabilidad del material: para que la impresión 3D sea más útil, los nuevos materiales metálicos, como las aleaciones de alta entropía y las aleaciones amorfas, deben tratarse térmicamente-de formas innovadoras.
Difícil
Costo: los elevados gastos operativos y de inversión de la tecnología HIP dificultan el acceso de las pequeñas y medianas empresas-.
Control de la deformación: durante el tratamiento térmico, las piezas estructurales complejas pueden deformarse, por lo que es necesario mejorar el diseño del soporte mediante simulación.
Deficiencia de estándares: la industria no tiene un conjunto único de reglas para los procesos de tratamiento térmico y es necesario que exista un sistema estándar de cadena integral, desde los materiales hasta las piezas.