金属3Dプリント後に熱処理が必要なのはなぜですか?

1. 残留応力を取り除くことが変形や割れを止める鍵となります。
金属の 3D プリントのプロセス中、材料は加熱と冷却の急速なサイクルを経るため、製品には残留張力が残ります。たとえば、レーザー粉末床溶解 (LPBF) プロセスでは、溶解プールが急速に冷えるため、まだ溶解していない周囲の金属にストレスがかかる可能性があります。材料に対する応力が高すぎる場合、部品が曲がったり、亀裂が入ったり、サイズ制限を超えたりする可能性があります。たとえば、チタン合金の航空機エンジンのブレードの壁は薄いです。印刷後に熱処理を行わないと、残留張力により加工中や使用中に予期せぬ破損が発生する可能性があり大変危険です。
応力低減焼鈍およびその他の熱処理方法は、残留応力を非常によく除去できます。焼きなましプロセス中、部品は再結晶点 (通常は材料の融点の 50% ～ 70%) より低い温度まで加熱され、その温度に一定時間保持され、その後徐々に冷却されます。このとき、材料の内部転位が再配列され、粒子が回復して再結晶化し、応力が解放されます。たとえば、特定の種類のタービン ディスクを 650 度で 4 時間焼鈍したところ、残留応力が 320 MPa から 80 MPa に低下し、変形が 90% 減少しました。これにより、加工が正確であることが確認されました。
2. 微細構造の改善: 材料の全体的な機能を向上させる
金属 3D プリントの急速な固化により、粗い微細構造や組成偏析が発生し、部品の性能に損傷を与える可能性があります。たとえば、LPBF- で印刷された 316L ステンレス鋼には粗い柱状結晶が存在する可能性があり、その耐疲労性は鍛造鋼よりも 40% 低くなります。熱処理により、微細構造を制御することで動作を改善できます。
結晶粒の微細化: 焼鈍中の再結晶化プロセスにより、結晶粒が小さくなることがあります。たとえば、アルミニウム合金の印刷部品を 350 度で 2 時間アニールすると、粒子サイズが 100 μm から 20 μm に減少し、降伏強度が 15% 増加します。
相変化の制御: 鋼を焼き入れして焼き戻すと、マルテンサイトと残留オーステナイトからなる二相構造を作ることができます。{0}たとえば、金型鋼のプリント部品の硬度は、1050 度で焼き入れし、200 度で焼き戻すと 58HRC に達します。耐摩耗性は未処理の部品に比べて 3 倍優れています。
欠陥の除去: 熱間静水圧プレス (HIP) 処理における高温 (通常、材料の融点の 0.7 ～ 0.9 倍) と高圧 (100 ～ 200MPa) の相乗作用により、部品の内部穴や微小亀裂を閉じることができます。 HIP 処理後、特定の航空エンジン用の高温合金部品の密度は 99.2% から 99.99% に上昇し、部品の寿命は 5 倍長くなりました。
3. 高強度基準を満たし、機械的性能を向上させます。-
金属 3D プリントされたアイテムの機械的品質は、従来の方法で作られたものほど良くないことがよくあります。ただし、熱処理により、より強く、より硬く、丈夫になります。
焼入れ処理は急冷することでマルテンサイト組織を作り、より硬くします。たとえば、ニッケル-基の高温-合金で作られた印刷部品の引張強さは、1120 度での焼き入れ後に 850 MPa から 1200 MPa に増加しました。
靭性の向上: 焼き戻しにより焼入れ応力が除去され、靭性が向上します。たとえば、自動車のトランスミッションシャフトの印刷部分の衝撃靱性は、550 度で焼き入れおよび焼き戻しを行った後、15J/cm² から 35J/cm² に向上し、衝突安全基準を満たしました。
疲労性能の最大化: 熱処理により、微細構造と残留応力を制御することで材料の寿命を大幅に延長できます。たとえば、2 回の焼きなまし (700 度で 2 時間、500 度で 4 時間) により、チタン合金の整形外科用インプラントの疲労限界が 450 MPa から 600 MPa に上昇しました。これは、身体の長期的な体重を支えるのに十分な値です。-。
4. 寸法が安定していることを確認してください。正確な組み立てのための基準に一致しています。
印刷後、残留応力の解放や微細構造の変化により、金属 3D プリント片のサイズが変化する場合があります。これにより、それらを正しく組み合わせることが難しくなる可能性があります。熱処理により微細構造が安定化し、張力がなくなるため、寸法安定性が大幅に向上します。
変形の低減：アニーリング処理により部品間の熱膨張係数の差が小さくなり、加工変形が低減されます。たとえば、アニーリング後、複雑な流路熱交換器の印刷部品の直径偏差は ± 0.15 mm から ± 0.05 mm に減少し、シール流体の基準を満たしました。
経時的な安定性: 人工時効やその他の時効処理により、材料中の過飽和固溶体を除去し、経時的にサイズが大きく変化するのを防ぐことができます。たとえば、アルミニウム合金の印刷部品のサイズ変化率は、170 度で 8 時間エージングした後、年間 0.3% から 0.05% に低下しました。これにより、航空宇宙分野の長期的なサービス ニーズが満たされました。-
5. 独自の性能ニーズに応える：用途の幅が広がる
熱処理により金属 3D プリントアイテムに特有の品質を与えることもできるため、より多くの場所で使用できるようになります。
耐腐食性の向上: 固溶体処理により材料内の第 2 相を溶解できるため、電気化学的手段による腐食が起こりにくくなります。たとえば、1050 度の溶液で処理した後、316L ステンレス鋼の印刷部品の孔食電位は 320mV から 450mV に上昇し、海洋条件での使用に適しています。
磁気特性の制御: 熱処理により軟磁性材料の結晶方位と残留応力を変化させ、磁気特性を向上させることができます。たとえば、750 度に加熱された後、ソレノイド バルブの特定の部分の透磁率は 20% 増加し、使用されるエネルギー量は 15% 減少します。
生体適合性の向上: 医療用インプラントは、表面の汚染物質を除去し、不動態膜を形成するために加熱する必要があります。例えば、酸洗浄と500度でのアニーリングの後、チタン合金整形外科用インプラントの表面粗さRaは3.2μmから0.8μmに増加し、細胞接着率は40%増加しました。