Pourquoi un traitement thermique est-il nécessaire après l’impression 3D métal ?

1. L’élimination des contraintes résiduelles est la clé pour arrêter la déformation et la fissuration.
Au cours du processus d’impression 3D du métal, le matériau subit des cycles rapides de chauffage et de refroidissement, ce qui laisse des tensions résiduelles dans les produits. Par exemple, dans le processus de fusion sur lit de poudre au laser (LPBF), le bain de fusion refroidit rapidement, ce qui peut exercer une pression sur le métal environnant qui n'a pas encore fondu. La pièce peut se plier, se fissurer ou dépasser la limite de taille si la contrainte est trop élevée pour le matériau. Par exemple, les aubes de moteurs d’avion en alliage de titane ont des parois minces. S'ils ne sont pas traités thermiquement-après l'impression, la tension résiduelle pourrait provoquer leur rupture inattendue pendant le traitement ou l'utilisation, ce qui serait très dangereux.
Le recuit de réduction des contraintes et d'autres méthodes de traitement thermique peuvent très bien éliminer les contraintes résiduelles. Pendant le processus de recuit, les pièces sont chauffées à une température inférieure au point de recristallisation (généralement 50 à 70 % du point de fusion du matériau), y sont maintenues pendant une durée déterminée, puis progressivement refroidies. A ce moment, les dislocations internes du matériau sont réarrangées, les grains récupèrent et recristallisent, et la contrainte est évacuée. Par exemple, un type spécifique de disque de turbine a été recuit à 650 degrés pendant 4 heures, ce qui a réduit la contrainte résiduelle de 320 MPa à 80 MPa et la déformation de 90 %. Cela garantissait que l’usinage serait précis.
2. Améliorer la microstructure : améliorer le fonctionnement global des matériaux
La solidification rapide de l’impression 3D métallique peut provoquer une microstructure rugueuse et une ségrégation de composition, ce qui peut nuire aux performances des pièces. Par exemple, l'acier inoxydable 316L imprimé LPBF- peut présenter des cristaux colonnaires rugueux et sa résistance à la fatigue est 40 % inférieure à celle de l'acier forgé. Le traitement thermique peut améliorer le fonctionnement en contrôlant la microstructure :
Affinement des grains : Lors du recuit, le processus de recristallisation peut rendre les grains plus petits. Par exemple, le recuit de pièces imprimées en alliage d'aluminium à 350 degrés pendant 2 heures réduit la taille des grains de 100 μm à 20 μm et augmente la limite d'élasticité de 15 %.
Contrôle du changement de phase : lorsque vous trempez et revenu de l'acier, vous pouvez créer une structure à deux phases-comprenant de la martensite et de l'austénite résiduelle. Par exemple, la dureté des composants imprimés en acier moulé va jusqu'à 58HRC après avoir été trempé à 1 050 degrés et revenu à 200 degrés. La résistance à l’usure est trois fois supérieure à celle des pièces non traitées.
Élimination des défauts : l'action synergique de la haute température (généralement 0,7 à 0,9 fois le point de fusion du matériau) et de la haute pression (100 à 200 MPa) lors du traitement de pressage isostatique à chaud (HIP) peut fermer les trous internes et les microfissures des pièces. Après le traitement HIP, la densité des pièces en alliage à haute température pour un certain moteur d'aviation est passée de 99,2 % à 99,99 %, et les pièces ont duré 5 fois plus longtemps.
3. Répondre à des normes de-résistance élevées pour améliorer les performances mécaniques.
Les qualités mécaniques des objets métalliques imprimés en 3D sont souvent moins bonnes que celles fabriquées selon des méthodes traditionnelles. Cependant, le traitement thermique peut les rendre beaucoup plus solides, plus durs et plus résistants.
Le traitement de trempe crée une structure martensitique en la refroidissant rapidement, ce qui la rend beaucoup plus dure. Par exemple, la résistance à la traction des pièces imprimées en alliage à haute température-à base de nickel-est passée de 850 MPa à 1 200 MPa après trempe à 1 120 degrés.
Meilleure ténacité : la trempe peut éliminer le stress et rendre les choses plus difficiles. Par exemple, après trempe et revenu à 550 degrés, la résistance aux chocs d'une section imprimée d'un arbre de transmission de voiture est passée de 15J/cm² à 35J/cm², ce qui répond aux normes de sécurité en cas de collision.
Maximiser les performances en fatigue : le traitement thermique peut prolonger considérablement la durée de vie d’un matériau en contrôlant sa microstructure et ses contraintes résiduelles. Par exemple, un double recuit (700 degrés pendant 2 heures et 500 degrés pendant 4 heures) a augmenté la limite de fatigue des implants orthopédiques en alliage de titane de 450 MPa à 600 MPa, ce qui est suffisant pour supporter le poids à long terme du corps.
4. Assurez-vous que les dimensions restent stables : respectez les normes pour un assemblage précis.
Après l'impression, les pièces métalliques imprimées en 3D peuvent changer de taille en raison d'une libération de contraintes résiduelles ou de modifications de la microstructure. Cela peut rendre plus difficile leur assemblage correct. Le traitement thermique peut améliorer considérablement la stabilité dimensionnelle en stabilisant la microstructure et en éliminant les tensions.
Déformation inférieure : le traitement de recuit peut réduire la différence de coefficient de dilatation thermique entre les pièces et réduire la déformation d'usinage. Par exemple, après recuit, l'écart de diamètre d'une pièce imprimée pour un échangeur de chaleur à canal d'écoulement complexe est passé de ± 0,15 mm à ± 0,05 mm, ce qui répond aux normes relatives aux fluides d'étanchéité.
Stabilité dans le temps : le vieillissement artificiel et d’autres traitements de vieillissement peuvent éliminer les solutions solides sursaturées présentes dans les matériaux et les empêcher de trop changer de taille au fil du temps. Par exemple, le taux de changement de taille des pièces imprimées en alliage d'aluminium est passé de 0,3 % par an à 0,05 % par an après avoir été vieillies à 170 degrés pendant 8 heures. Cela répondait aux besoins de service à long terme de l'aérospatiale.
5. Répondre à des besoins de performance uniques : élargir la gamme d’utilisations
Le traitement thermique peut également conférer des qualités spécifiques aux objets métalliques imprimés en 3D, ce qui les rend utiles dans de nombreux endroits :
Résistance améliorée à la corrosion : le traitement en solution solide peut dissoudre la deuxième phase dans le matériau, ce qui le rend moins susceptible de se corroder par des moyens électrochimiques. Par exemple, après avoir été traités avec une solution à 1 050 degrés, le potentiel de piqûre des composants imprimés en acier inoxydable 316L est passé de 320 mV à 450 mV, ce qui est idéal pour une utilisation dans des conditions maritimes.
Contrôle des caractéristiques magnétiques : le traitement thermique peut modifier l'orientation des grains et la contrainte résiduelle des matériaux magnétiques doux afin d'améliorer leurs propriétés magnétiques. Par exemple, après avoir été chauffée à 750 degrés, la perméabilité magnétique d'une partie donnée d'une électrovanne augmente de 20 % et la quantité d'énergie qu'elle utilise diminue de 15 %.
Améliorer la biocompatibilité : les implants médicaux doivent être chauffés pour éliminer les contaminants de surface et former un film de passivation. Après lavage à l'acide et recuit à 500 degrés, par exemple, la rugosité de surface Ra des implants orthopédiques en alliage de titane est passée de 3,2 μm à 0,8 μm et le taux d'adhésion cellulaire a augmenté de 40 %.