Le traitement thermique peut-il améliorer la résistance des pièces métalliques imprimées en 3D ?

1. Les principes de la technologie du traitement thermique : transformer la microstructure en propriétés macroscopiques
En chauffant, isolant, refroidissant et autres, le traitement thermique modifie la structure cristalline, la composition des phases et la répartition des défauts des matériaux métalliques, ce qui améliore leurs propriétés mécaniques. La chose la plus importante concernant le traitement thermique des objets métalliques imprimés en 3D est :
Soulagement du stress résiduel
Lors de l’impression 3D, les matériaux subissent des cycles rapides de fusion et de solidification, ce qui laisse des contraintes résiduelles à l’intérieur des composants. Ces contraintes peuvent provoquer la flexion, la rupture ou la défaillance des pièces par fatigue. La thérapie de recuit consiste à chauffer les pièces au-dessus de la température à laquelle elles peuvent recristalliser, puis à les refroidir lentement. Cela peut faire récupérer et recristalliser les grains, ce qui libère les contraintes à l'intérieur des pièces. Par exemple, une entreprise de transport ferroviaire à Zhuzhou a utilisé le recuit sous vide pour préparer des pièces de transmission en alliage de titane imprimées SLM-. Cela a réduit la contrainte résiduelle à 30 % de la valeur d'origine et a rendu les pièces beaucoup plus stables en taille.
Raffinage et mélange des grains
Lorsque les pièces imprimées en 3D refroidissent trop rapidement, elles peuvent présenter des grains grossiers et une orientation inégale, ce qui affaiblit le matériau. En ajustant la vitesse de refroidissement, le traitement de normalisation peut réduire la taille des grains de 50 à 70 % par rapport à ce qu'elle était auparavant, et il peut également arrêter la ségrégation des composants. Dans l'industrie aérospatiale, par exemple, un traitement de normalisation est souvent utilisé pour améliorer la structure des grains des pièces en alliage Inconel 718 haute température-, ce qui augmente leur limite d'élasticité de 15 % à 20 %.
Précipitations pendant la phase de renforcement
En manipulant la température et le temps, le traitement de vieillissement encourage les atomes de soluté à se rassembler pour créer des phases de renforcement distribuées (telles que la phase et la phase '), ce qui rend le matériau beaucoup plus dur. L'équipe de l'Université Monash en Australie a vieilli l'alliage de titane Beta-C imprimé par SLM à 480 degrés. La résistance à la traction finale était de 1 611 MPa, ce qui constitue un nouveau record pour la résistance spécifique des métaux imprimés en 3D. Le mécanisme de renforcement est la création de précipités nano-jumeaux de haute -densité.
Maîtrise totale des performances mécaniques
Le processus de trempe et de revenu (trempe avec revenu à haute -température) utilise la transformation martensitique et le revenu adoucissant pour trouver un équilibre entre haute résistance et bonne ténacité des pièces. Après avoir été trempé et revenu, l'acier inoxydable 17-4PH produit par SLM a une résistance à la traction de 1 035 MPa, une limite d'élasticité de 860MPa et un allongement d'environ 10 %. Cela le rend suffisamment solide pour les pièces structurelles qui doivent supporter beaucoup de poids.
2. Pratique industrielle : nouvelles utilisations du traitement thermique dans des domaines importants
Le domaine de l'aérospatiale
Les pales, les chambres de combustion et d’autres pièces des moteurs d’avion doivent être capables de supporter des températures, des pressions et des contraintes très élevées. Cela signifie que les matériaux utilisés pour leur fabrication doivent être très résistants. GE Aviation imprime des injecteurs de carburant en Inconel 718 à l'aide de la technologie SLM. Ils utilisent ensuite un pressage isostatique à chaud (HIP) et un traitement de vieillissement en solution pour éliminer les pores internes (densité supérieure ou égale à 99,9 %), ce qui rend les pièces 40 % plus résistantes à 650 degrés. Cela a bien fonctionné pour fabriquer de nombreux moteurs LEAP.
Domaine des dispositifs médicaux
Il est important que les implants orthopédiques soient solides et sans danger pour le corps. Johnson & Johnson Medical a fabriqué des articulations de hanche en Ti6Al4V à l'aide de SLM, puis a utilisé le recuit sous vide pour éliminer les contraintes résiduelles de surface. Un polissage chimique a également été utilisé pour lisser la surface jusqu'à Ra0,8 μm, ce qui a triplé la durée de vie de l'implant et répondu aux besoins cliniques à long terme.
Domaine du transit ferroviaire
SLM est utilisé par une entreprise de Zhuzhou pour imprimer des pièces pour transmissions en alliage de titane. La résistance à la traction des pièces est de 850 MPa, la dureté est de HRC35, la densité interne est de 99,8 %, la précision dimensionnelle est de ± 0,03 mm et la durée de vie des pièces est 50 % plus longue que celle des pièces moulées traditionnelles. En effet, les paramètres du laser (puissance 300 W, vitesse de balayage 1 200 mm/s) ont été optimisés et les pièces ont été traitées par recuit sous vide.