¿Cuál es el papel del tratamiento térmico para aliviar el estrés en la impresión 3D de metal?

1. El método de formación y los peligros de la tensión residual.
La naturaleza física de la acumulación de estrés térmico.
Los rayos láser o de electrones crean temperaturas muy altas (más de 2000 grados) en lugares pequeños durante el proceso de impresión 3D de metal. Esto derrite el polvo de metal y forma un charco de metal fundido. Cuando se aleja el rayo láser, el charco fundido se enfría y se endurece rápidamente, lo que hace que la temperatura cambie en los lugares cercanos. Esta expansión y contracción térmica desigual crea un campo de tensión complicado dentro de la pieza. Al imprimir soportes de aviación de aleación de titanio, la estructura suspendida no tiene ningún soporte y la tensión local puede acercarse al 80% del límite elástico del material, que es mucho más alto que el límite de carga del material.
Problemas comunes que causa el estrés
Si la tensión residual no se elimina rápidamente, se producirán tres problemas principales:
Inestabilidad geométrica: cuando la tensión es demasiada para que el material se una al sustrato, la pieza se doblará y cambiará de forma. Un estudio de caso de la pala de un motor de avión encontró que la pala que no fue tratada se dobló 3,2 mm después de la impresión, lo que es mucho más que la tolerancia de 0,1 mm necesaria para el ensamblaje.
Inicio de grietas: es probable que el lugar donde se acumula la tensión sea donde comienzan las grietas. Al imprimir discos de turbina de aleación de alta temperatura-a base de níquel-, las piezas sin tratar tienen una tasa de incidencia de grietas del 42%, pero después del tratamiento térmico, la tasa cae a menos del 2%.
Degradación del rendimiento: la tensión residual puede acortar la vida útil de los materiales. Los experimentos han demostrado que el estado sin tratar de los componentes de acero inoxidable 316L da como resultado una reducción del 60 % en la vida útil de fatiga de ciclo alto en comparación con la condición posterior al tratamiento térmico.
2. La teoría técnica y el proceso de realización del tratamiento térmico para aliviar el estrés.
La forma física de soltar la tensión
El tratamiento térmico para aliviar tensiones significa calentar la pieza a un cierto rango de temperatura (normalmente de 0,4 a 0,6 veces el punto de fusión) para hacer que el material sea muy flexible. A esta temperatura, la capacidad de los átomos para moverse mejora y pequeños defectos como dislocaciones y agujeros se reorganizan, lo que libera lentamente la tensión interna mediante una pequeña deformación plástica. Tomando como ejemplo la aleación a base de níquel-Inconel 718, después de 4 horas de aislamiento a 620 grados, su tensión residual se puede reducir de 380 MPa a menos de 50 MPa.
Control exacto de los parámetros del proceso.
Los principales factores que afectan el tratamiento térmico para aliviar tensiones son la velocidad de calentamiento, la temperatura del aislamiento, el tiempo que lleva aislarlo y la forma en que se enfría:
Velocidad de calentamiento: No debes calentar demasiado rápido, ya que esto podría generar más estrés. La velocidad de calentamiento de las piezas de aleación de aluminio debe mantenerse inferior o igual a 10 grados/min.
Temperatura de aislamiento: Generalmente diseñada para ser inferior a la temperatura a la que se forman los cristales. El rango de temperatura normal para el tratamiento térmico de la aleación de titanio Ti6Al4V es de 593 a 649 grados Celsius. Esta es la mejor manera de aliviar la tensión y mejorar la estructura del grano.
Cómo enfriar: Utilice enfriamiento por horno o enfriamiento a velocidad controlada para evitar el estrés adicional que surge del enfriamiento demasiado rápido. Un ejemplo de implante médico demuestra que una técnica de enfriamiento por etapas (600 grados → 400 grados → temperatura ambiente) puede regular la deformación de los componentes dentro de 0,05 mm.
Beneficios de un entorno de vacío
El tratamiento térmico al vacío se ha convertido en la mejor opción para la fabricación-de alta gama, ya que elimina los riesgos de oxidación y contaminación. Las pruebas de TAV Vacuum Furnace Company han revelado que los componentes de acero inoxidable 316L tratados térmicamente al vacío tienen una superficie un 40 % más lisa y una resistencia a la corrosión un 25 % mejor que las piezas tratadas térmicamente al aire. Además, una atmósfera de vacío puede detener problemas como la fragilización del hidrógeno, lo que la hace perfecta para la industria aeronáutica, donde la pureza del material es muy importante.
3. La utilidad del tratamiento térmico para aliviar el estrés en el mundo real y en los negocios.
Garantía de desempeño en la industria aeroespacial
El tratamiento térmico para aliviar tensiones es un paso importante en la fabricación de palas para motores de aviación, ya que garantiza que las piezas sean fiables. GE Aviation ha mejorado la técnica de tratamiento térmico para reducir la tensión residual en las hojas de aleación de níquel- monocristalino en un 75 % y hacer que duren tres veces más. La vida de fatiga de ciclos bajos del disco de turbina en cierto tipo de motor turbofan ha pasado de 500 ciclos a 2000 ciclos después del tratamiento térmico. Esto satisface las necesidades de un diseño-de larga duración.
Mejora de la biocompatibilidad de los implantes médicos
Los implantes ortopédicos fabricados con aleación de titanio deben ser muy resistentes y flexibles. El tratamiento térmico para aliviar el estrés puede reducir el módulo elástico de los implantes y eliminar el estrés del procesamiento, lo que puede ayudar a disminuir el "efecto de protección contra el estrés". La evidencia experimental indica que el módulo de los implantes de Ti6Al4V después del -tratamiento térmico disminuye de 110 GPa a 85 GPa, alineándose más estrechamente con el tejido óseo humano (10-30 GPa) y mejorando sustancialmente la integración ósea.
Fabricación de moldes con control preciso
Cuando se imprime acero para moldes en 3D, el tratamiento térmico para aliviar la tensión puede evitar que se produzca deformación térmica durante el proceso de impresión y garantizar que la cavidad del molde tenga el tamaño correcto. Cierto caso de molde de automóvil indica que después del tratamiento térmico, la tolerancia dimensional de la cavidad del molde va de ± 0,1 mm a ± 0,02 mm, que es lo que se necesita para el moldeo por inyección de precisión. Al mismo tiempo, el tratamiento térmico puede hacer que el molde sea más resistente al desgaste, lo que puede duplicar o triplicar su vida útil.