¿Por qué es necesario el tratamiento térmico después de la impresión 3D en metal?

1. Deshacerse de la tensión residual es la clave para detener la deformación y el agrietamiento.
Durante el proceso de impresión 3D de metal, el material pasa por ciclos rápidos de calentamiento y enfriamiento, lo que deja tensiones residuales en los productos. Por ejemplo, en el proceso de fusión en lecho de polvo por láser (LPBF), el baño de fusión se enfría rápidamente, lo que podría ejercer tensión sobre el metal circundante que aún no se ha derretido. La pieza puede doblarse, agrietarse o superar el límite de tamaño si la tensión es demasiado alta para el material. Por ejemplo, las palas de los motores de avión de aleación de titanio tienen paredes delgadas. Si no se tratan térmicamente-después de la impresión, la tensión residual podría hacer que se rompan inesperadamente durante el procesamiento o el uso, lo que sería muy peligroso.
El recocido para reducir la tensión y otros métodos de tratamiento térmico pueden eliminar muy bien la tensión residual. Durante el proceso de recocido, las piezas se calientan a una temperatura por debajo del punto de recristalización (normalmente entre el 50% y el 70% del punto de fusión del material), se mantienen allí durante un tiempo determinado y luego se enfrían progresivamente. En este momento, las dislocaciones internas del material se reorganizan, los granos se recuperan y recristalizan y se descarga la tensión. Por ejemplo, se recoció un tipo específico de disco de turbina a 650 grados durante 4 horas, lo que redujo la tensión residual de 320 MPa a 80 MPa y la deformación en un 90 %. Esto aseguró que el mecanizado fuera preciso.
2. Mejorar la microestructura: hacer que los materiales funcionen mejor en general
La rápida solidificación de la impresión 3D de metal puede provocar una microestructura rugosa y una segregación compositiva, lo que puede dañar el rendimiento de las piezas. Por ejemplo, el acero inoxidable 316L impreso LPBF- puede tener cristales columnares rugosos y su resistencia a la fatiga es un 40% menor que la del acero forjado. El tratamiento térmico puede hacer que las cosas funcionen mejor controlando la microestructura:
Refinamiento del grano: durante el recocido, el proceso de recristalización puede hacer que los granos sean más pequeños. Por ejemplo, el recocido de piezas impresas de aleación de aluminio a 350 grados durante 2 horas reduce el tamaño del grano de 100 μm a 20 μm y aumenta el límite elástico en un 15%.
Control del cambio de fase: cuando se templa y revende acero, se puede crear una estructura de fase dual-que comprende martensita y austenita residual. Por ejemplo, la dureza de los componentes impresos de acero para moldes sube a 58 HRC después de ser templados a 1050 grados y revenidos a 200 grados. La resistencia al desgaste es tres veces mayor que la de las piezas que no han sido tratadas.
Deshacerse de los defectos: la acción sinérgica de la alta temperatura (normalmente entre 0,7 y 0,9 veces el punto de fusión del material) y la alta presión (100 a 200 MPa) en el tratamiento de prensado isostático en caliente (HIP) puede cerrar agujeros internos y microfisuras en las piezas. Después del tratamiento HIP, la densidad de las piezas de aleación de alta-temperatura para un determinado motor de aviación aumentó del 99,2 % al 99,99 %, y las piezas duraron 5 veces más.
3. Cumplir con altos estándares-de resistencia para mejorar el rendimiento mecánico.
Las cualidades mecánicas de los artículos metálicos impresos en 3D a menudo no son tan buenas como las de los fabricados con métodos tradicionales. Sin embargo, el tratamiento térmico puede hacerlos mucho más fuertes, duros y resistentes.
El tratamiento de enfriamiento crea una estructura martensítica enfriándola rápidamente, lo que la hace mucho más dura. Por ejemplo, la resistencia a la tracción de piezas impresas hechas de aleación de alta temperatura-a base de níquel-pasó de 850 MPa a 1200 MPa después de un enfriamiento a 1120 grados.
Mejor dureza: El temple puede eliminar el estrés y hacer las cosas más difíciles. Por ejemplo, después de templar y revenir a 550 grados, la resistencia al impacto de una sección impresa del eje de transmisión de un automóvil pasó de 15J/cm² a 35J/cm², lo que cumplió con los estándares de seguridad para colisiones.
Maximizar el rendimiento ante la fatiga: el tratamiento térmico puede prolongar en gran medida la vida útil de un material al controlar su microestructura y su tensión residual. Por ejemplo, el doble recocido (700 grados durante 2 horas y 500 grados durante 4 horas) elevó el límite de fatiga de los implantes ortopédicos de aleación de titanio de 450 MPa a 600 MPa, que es suficiente para soportar el peso del cuerpo a largo plazo-.
4. Asegúrese de que las dimensiones se mantengan estables: cumpla con los estándares para un montaje preciso.
Después de la impresión, las piezas metálicas impresas en 3D pueden cambiar de tamaño debido a la liberación de tensiones residuales o cambios en la microestructura. Esto puede hacer que sea más difícil ensamblarlos correctamente. El tratamiento térmico puede mejorar mucho la estabilidad dimensional al estabilizar la microestructura y eliminar la tensión.
Menor deformación: el tratamiento de recocido puede reducir la diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre piezas y reducir la deformación por mecanizado. Por ejemplo, después del recocido, la desviación del diámetro de una pieza impresa para un intercambiador de calor de canal de flujo complejo se redujo de ± 0,15 mm a ± 0,05 mm, lo que cumplió con los estándares para fluidos de sellado.
Estabilidad en el tiempo: el envejecimiento artificial y otros tratamientos de envejecimiento pueden eliminar las soluciones sólidas sobresaturadas en los materiales y evitar que cambien demasiado de tamaño con el tiempo. Por ejemplo, la tasa de cambio de tamaño de las piezas impresas de aleación de aluminio cayó del 0,3% anual al 0,05% anual después de envejecerlas a 170 grados durante 8 horas. Esto satisfizo las necesidades de servicio-a largo plazo del sector aeroespacial.
5. Satisfacer necesidades de rendimiento únicas: ampliar la gama de usos
El tratamiento térmico también puede proporcionar cualidades específicas a los artículos metálicos impresos en 3D, lo que los hace útiles en más lugares:
Resistencia mejorada a la corrosión: el tratamiento con solución sólida puede disolver la segunda fase en el material, lo que hace que sea menos probable que se corroa por medios electroquímicos. Por ejemplo, después de ser tratados con una solución a 1050 grados, el potencial de picaduras de los componentes impresos de acero inoxidable 316L pasó de 320 mV a 450 mV, lo que es bueno para su uso en condiciones marítimas.
Control de las características magnéticas: el tratamiento térmico puede cambiar la orientación del grano y la tensión residual de los materiales magnéticos blandos para mejorar sus propiedades magnéticas. Por ejemplo, después de calentarse a 750 grados, la permeabilidad magnética de una parte determinada de una válvula solenoide aumenta en un 20% y la cantidad de energía que utiliza disminuye en un 15%.
Mejora de la biocompatibilidad: los implantes médicos deben calentarse para eliminar los contaminantes de la superficie y formar una película de pasivación. Después del lavado con ácido y el recocido a 500 grados, por ejemplo, la rugosidad de la superficie Ra de los implantes ortopédicos de aleación de titanio pasó de 3,2 μm a 0,8 μm, y la tasa de adhesión celular aumentó en un 40%.