Quels sont les avantages du traitement HIP dans le post-traitement de l'impression 3D métallique ?

1. Se débarrasser des défauts internes : passer de la « porosité » au « zéro défaut »
La solidification hors-équilibre produite par un refroidissement rapide peut créer de minuscules trous lors de l'impression 3D métallique. D'un autre côté, le démontage des structures de support ou la poudre qui ne fond pas complètement peuvent provoquer un retrait macroscopique. Ces défauts peuvent provoquer l’apparition de fissures, ce qui réduit considérablement la durée de vie des pièces en fatigue. La technologie HIP corrige les défauts en utilisant les méthodes suivantes :
Fermer les pores et combiner les métaux
Lorsque les matériaux métalliques sont chauffés à une température élevée (généralement 0,5 à 0,8 fois le point de fusion du matériau) et soumis à une forte pression (100 à 200 MPa), ils deviennent très souples. La pression du gaz fait changer de forme le métal autour des pores, entrant en contact les uns avec les autres et formant des liaisons métallurgiques. Cela fait diminuer le volume des pores jusqu’à disparaître. Par exemple, après le traitement HIP, la porosité de l'alliage haute température IN718 fabriqué selon la technique SLM est passée de 0,8 % à 0,02 %, ce qui l'a rendu dense à 99,99 %, ce dont l'industrie aérospatiale a besoin pour garantir la fiabilité des matériaux.
Guérison des microfissures
Les contraintes thermiques dans l’impression 3D métallique peuvent provoquer l’apparition de microfissures. L'action de recuit à haute température du traitement HIP élimine les contraintes résiduelles et l'environnement à haute pression fait plier plastiquement la pointe de la fracture, ce qui ferme la fissure et crée une structure limite de grain stable. Les données expérimentales indiquent que le traitement HIP peut diminuer la densité des fissures de l'acier inoxydable 316L de 90 % et améliorer la ténacité à la rupture de 30 %.
Affiner les grains et uniformiser la microstructure
Le processus à haute -température du HIP est identique au traitement de recuit, qui peut éliminer la structure sous-refroidie ou la phase métastable qui se forme lorsque le SLM refroidit rapidement. Après traitement HIP, par exemple, les cristaux colonnaires grossiers de l'alliage Ti6Al4V se transforment en cristaux fins équiaxes et la taille des grains passe de 50 μm à 10 μm. Cela rend le matériau beaucoup plus flexible et résistant à la fatigue.
2. Améliorer les performances mécaniques : trouver le bon équilibre entre résistance et ténacité
Le traitement HIP a deux effets sur les caractéristiques mécaniques des pièces métalliques imprimées en 3D :
Résistance et plasticité vont mieux ensemble.
La résistance du matériau peut diminuer un peu (généralement de 5 à 15 %) après le traitement HIP, mais ses indicateurs de plasticité, comme l'allongement, augmentent beaucoup. Par exemple, après le traitement HIP, la résistance à la traction de l'alliage d'aluminium AlSi10Mg produit par la technique SLM est passée de 420 MPa à 380 MPa, mais l'allongement a augmenté de 8 % à 15 %, ce qui est bon pour les pièces structurelles légères des voitures.
Une amélioration significative des performances de résistance à la fatigue
Les défauts internes sont la principale raison de la croissance des fissures de fatigue. En éliminant les pores et les microfissures, le traitement HIP augmente considérablement la durée de vie des pièces en fatigue. Par exemple, la durée de vie en fatigue à haute température de l'alliage IN718 traité avec HIP à 650 degrés et 690 MPa est passée de 50 heures sans traitement à 173 heures. Cela répond aux exigences de durée de vie des moteurs d’avion GE pour les pièces essentielles.
Élimination anisotrope
Les qualités de liaison intercouches de l’impression 3D métallique pourraient entraîner des propriétés mécaniques différentes dans différentes directions. Le matériau fonctionne de la même manière dans toutes les directions lorsqu’il est traité avec HIP, qui utilise une pression uniforme à 360 degrés. Par exemple, la différence entre les coefficients de frottement radial et axial entre les billes en céramique de nitrure de silicium traitées avec HIP est inférieure à 5 %, ce qui est bien meilleur que les méthodes de frittage standard.
3. Élargir le champ d'application : Passer de « Disponible » à « Fiable »
Le traitement HIP contribue à l'aspect technique de l'utilisation de la technologie d'impression 3D métal à grande échelle dans les domaines où elle est très demandée.
Secteur aérospatial
Les aubes de turbine, les chambres de combustion et d'autres pièces d'un moteur d'avion doivent pouvoir fonctionner dans des situations de températures, de pressions et de contraintes élevées. Le traitement HIP peut éliminer les fissures de contrainte thermique qui se produisent lorsque le processus SLM refroidit trop rapidement, et il peut également améliorer les matériaux en cas de fluage à température élevée. Rolls Royce, par exemple, utilise des disques de turbine en alliage haute température-à base de nickel traité HIP-traité-qui augmentent la température de fonctionnement de 1 200 à 1 400 degrés Celsius et le rapport poussée-sur-poids de 20 %.
Domaine des implants médicaux
Les implants orthopédiques doivent être solides et sans danger pour le corps. Le traitement HIP peut éliminer la ségrégation de phase alpha dans l'alliage Ti6Al4V, réduire le risque de fuite d'ions métalliques et prolonger la durée de vie du matériau sous contrainte. Les preuves cliniques indiquent que le taux d'échec des implants de hanche soumis à une HIP a diminué de 3 % à 0,5 % après une décennie.
Les secteurs de l’énergie et du transport maritime
Des éléments tels que les cuves sous pression des réacteurs nucléaires et les-enceintes de capteurs en eaux profondes doivent être capables de résister à des conditions très difficiles. La céramique de zircone traitée HIP-peut supporter une pression élevée de 110 MPa dans les eaux profondes, et l'élément combustible recouvert de carbure de silicium-peut rester stable à des températures élevées de 1 200 degrés. Ces matériaux sont très importants pour la quatrième génération de technologie nucléaire.