Quel est le rôle du traitement thermique de soulagement des contraintes dans l’impression 3D métal ?

1. La méthode de formation et les dangers des contraintes résiduelles
La nature physique de l’accumulation de contraintes thermiques
Les faisceaux laser ou électroniques créent des températures très élevées (plus de 2 000 degrés) dans de petits endroits pendant le processus d'impression 3D métallique. Cela fait fondre la poudre de métal et forme une mare de métal en fusion. Lorsque le faisceau laser est éloigné, le bain de fusion refroidit et durcit rapidement, ce qui entraîne un changement de température dans les endroits proches. Cette dilatation et contraction thermique inégale crée un champ de contraintes compliqué à l’intérieur de la pièce. Lors de l'impression de supports d'aviation en alliage de titane, la structure suspendue n'a aucun support et les contraintes locales peuvent approcher 80 % de la limite d'élasticité du matériau, ce qui est bien supérieur à la limite portante du matériau.
Problèmes courants causés par le stress
Si la tension résiduelle n’est pas relâchée rapidement, cela entraînera trois problèmes principaux :
Instabilité géométrique : Lorsque la tension est trop forte pour que le matériau se lie au substrat, la pièce se plie et change de forme. Une étude de cas portant sur une pale de moteur d'avion a révélé que la pale qui n'avait pas été traitée s'est pliée de 3,2 mm après l'impression, ce qui est bien supérieur à la tolérance de 0,1 mm nécessaire pour l'assemblage.
Amorçage de fissure : L’endroit où la tension s’accumule est probablement celui où commencent les fissures. Lors de l'impression de disques de turbine en alliage à base de nickel-haute-température, les pièces non traitées ont un taux d'incidence de fissures de 42 %, mais après traitement thermique, il tombe à moins de 2 %.
Dégradation des performances : les contraintes résiduelles peuvent réduire la durée de vie des matériaux. Des expériences ont démontré que l'état non traité des composants en acier inoxydable 316L entraîne une réduction de 60 % de la durée de vie en fatigue cyclique par rapport à l'état post-traitement thermique.
2. La théorie technique et le processus de réalisation du traitement thermique de soulagement du stress
La manière physique de se libérer des tensions
Le traitement thermique de soulagement des contraintes consiste à chauffer la pièce à une certaine plage de température (généralement 0,4 à 0,6 fois le point de fusion) pour rendre le matériau très souple. À cette température, la capacité des atomes à se déplacer est améliorée et de minuscules défauts comme des dislocations et des trous sont réorganisés, ce qui libère lentement les contraintes internes par une minuscule déformation plastique. En prenant comme exemple l'alliage à base de nickel-Inconel 718, après 4 heures d'isolation à 620 degrés, sa contrainte résiduelle peut être abaissée de 380 MPa à moins de 50 MPa.
Contrôle exact des paramètres du processus
Les principaux éléments qui affectent le traitement thermique de soulagement des contraintes sont la vitesse de chauffage, la température de l'isolation, le temps nécessaire à l'isolation et la façon dont il se refroidit :
Vitesse de chauffe : Il ne faut pas chauffer trop vite, car cela pourrait créer un stress supplémentaire. La vitesse de chauffage des pièces en alliage d'aluminium doit être maintenue inférieure ou égale à 10 degrés/min.
Température d'isolation : généralement conçue pour être inférieure à la température à laquelle les cristaux se forment. La plage de température normale pour le traitement thermique de l'alliage de titane Ti6Al4V est comprise entre 593 et ​​649 degrés Celsius. C'est le meilleur moyen de soulager les tensions et d'améliorer la structure du grain.
Comment refroidir : utilisez le refroidissement du four ou le refroidissement à vitesse contrôlée pour éviter le stress supplémentaire dû à un refroidissement trop rapide. Un exemple d'implant médical démontre qu'une technique de refroidissement par étapes (600 degrés → 400 degrés → température ambiante) peut réguler la déformation des composants à moins de 0,05 mm.
Avantages d'un environnement sous vide
Le traitement thermique sous vide est devenu le meilleur choix pour la fabrication-haut de gamme, car il élimine les risques d'oxydation et de contamination. Les tests de TAV Vacuum Furnace Company ont révélé que les composants en acier inoxydable 316L qui sont traités thermiquement-sous vide ont une surface 40 % plus lisse et une résistance à la corrosion 25 % supérieure à celle des pièces qui sont traitées thermiquement-dans l'air. En outre, une atmosphère sous vide peut éviter des problèmes tels que la fragilisation par l’hydrogène, ce qui la rend parfaite pour l’industrie aéronautique, où la pureté des matériaux est très importante.
3. L’utilité du traitement thermique anti-stress dans le monde réel et en entreprise
Garantie de performance dans l'industrie aérospatiale
Le traitement thermique de soulagement des contraintes est une étape importante dans la fabrication des aubes de moteur d’aviation car il garantit la fiabilité des pièces. GE Aviation a amélioré la technique de traitement thermique afin de réduire de 75 % les contraintes résiduelles dans les pales en alliage monocristallin à base de nickel-et de les faire durer trois fois plus longtemps. La durée de vie en fatigue à faible cycle du disque de turbine dans un certain type de turboréacteur à double flux est passée de 500 cycles à 2 000 cycles après traitement thermique. Cela répond aux besoins d'une conception-de longue durée de vie.
Améliorer la biocompatibilité des implants médicaux
Les implants orthopédiques en alliage de titane doivent être à la fois très solides et très flexibles. Le traitement thermique de soulagement du stress peut réduire le module d'élasticité des implants et éliminer les contraintes de traitement, ce qui peut contribuer à réduire « l'effet de protection contre les contraintes ». Des preuves expérimentales indiquent que le module des implants Ti6Al4V après-traitement thermique diminue de 110 GPa à 85 GPa, s'alignant plus étroitement avec le tissu osseux humain (10-30 GPa) et améliorant considérablement l'intégration osseuse.
Fabrication de moules avec contrôle précis
Lors de l'impression 3D de l'acier de moule, le traitement thermique de soulagement des contraintes peut empêcher la déformation thermique de se produire pendant le processus d'impression et garantir que la cavité du moule est de la bonne taille. Un certain boîtier de moule automobile indique qu'après un traitement thermique, la tolérance dimensionnelle de la cavité du moule passe de ± 0,1 mm à ± 0,02 mm, ce qui est nécessaire pour un moulage par injection de précision. Dans le même temps, le traitement thermique peut rendre le moule plus résistant à l’usure, ce qui peut doubler ou tripler sa durée de vie.