열처리 전과 후의 금속 3D 프린팅 부품 성능에 큰 차이가 있나요?

1. 미세구조: 결함에서 밀도로 품질의 변화
금속 3D 프린팅 공정에는 재료를 빠르게 가열하고 냉각시키는 과정이 포함되므로 물체 내부에 작은 결함이 많이 발생합니다. 예를 들어, 레이저 분말층 용융(LPBF) 방법에서는 용융 풀이 빠르게 냉각되어 입자 경계에 고밀도 전위와 미세 기공이 있는-거친 원주형 결정이 생성됩니다. 이러한 결함은 재료의 밀도(일반적으로 98%~99.5%)를 낮출 뿐만 아니라 균열을 발생시켜 부품의 기계적 품질을 더욱 약화시킵니다.
열처리는 다음을 수행하여 미세구조를 개선합니다.
치밀화: 열간 등압 성형(HIP) 처리는 고온(일반적으로 재료 융점의 0.7-0.9배) 및 고압(100-200MPa)으로 작동하여 부품의 내부 기공과 미세 균열을 막습니다. 예를 들어, HIP 처리 후 특정 항공 엔진의 내열합금 부품 밀도는 99.2%에서 99.99%로 증가했으며 부품이 파손되기까지 5배 더 오래 지속될 수 있었습니다.
결정립 미세화: 어닐링 중 재결정 과정을 통해 결정립 크기가 작아질 수 있습니다. 예를 들어, 인쇄된 알루미늄 합금 부품을 350도에서 2시간 동안 어닐링하면 입자 크기가 100μm에서 20μm로 줄어들고 항복 강도가 15% 증가합니다.
상 변화 제어: 강철을 담금질하고 템퍼링하면 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트로 구성된 이중{0}}상 구조를 만들 수 있습니다. 예를 들어, 1050도에서 담금질하고 200도에서 뜨임 처리한 후 금형강 인쇄 부품의 경도는 58HRC에 도달하고 처리되지 않은 부품보다 내마모성이 3배 더 높습니다.
2, 기계적 성질: 깨지기 쉬운 것에서 강한 것으로 변화
열처리는 금속 3D 프린팅 제품의 기계적 특성을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 예를 들어, 고온-온도 합금 GH4169를 보면 인쇄된 부품은 단조 부품보다 인장 강도와 항복 강도가 약간 낮지만 파단 연신율과 단면 수축률은 훨씬 더 나쁩니다.- 일상적인 열처리(응력 완화 어닐링 및 균질화 어닐링) 후 실온 및 고온에서의 인장 품질은 단조 표준을 충족하거나 능가합니다. 고온-내구성도 단조부품에 비해 우수합니다.
성능 차이는 다음과 같습니다.
강도 강화: 담금질 절차는 마르텐사이트 조직을 빠르게 냉각시켜 마르텐사이트 조직을 만들어 훨씬 단단하게 만듭니다. 예를 들어, 담금질 후 니켈-기반 고온-합금으로 제작된 인쇄 부품의 인장 강도는 460MPa에서 585MPa로 증가합니다.
더 나은 인성: 템퍼링은 담금질 스트레스를 제거하고 상황을 더 강하게 만들 수 있습니다. 예를 들어, 550도에서 담금질 및 뜨임 후 자동차 변속기 샤프트의 인쇄된 부분의 충격 인성은 15J/cm²에서 35J/cm²로 증가했습니다.
피로 성능 최적화: 열처리는 재료 내부의 문제를 해결하고 피로 균열의 확산을 늦출 수 있습니다. 열처리 후 650도에서 GH4169 인쇄 부품의 피로 수명은 단조 부품보다 20% 더 깁니다.
3. 치수 안정성: 굽힘부터 정확한 보증까지
금속 3D 프린팅 부품은 잔류 응력 방출 또는 미세 구조 변화로 인해 프린팅 후 크기가 변경될 수 있습니다. 이로 인해 올바르게 결합하기가 더 어려워질 수 있습니다. 열처리는 미세구조를 보다 안정하게 만들고 응력을 제거하여 치수 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
변형 감소: 어닐링을 통해 부품 간의 열팽창 계수 차이를 줄이고 가공 변형을 줄일 수 있습니다. 예를 들어 복잡한 흐름 채널 열 교환기의 인쇄된 부분의 직경 편차는 어닐링 후 ± 0.15mm에서 ± 0.05mm로 늘어났습니다.
장기-안정성: 노화 처리를 통해 재료의 과포화 고용체를 제거하고 시간이 지나도 크기가 크게 변하지 않도록 할 수 있습니다. 예를 들어, 170도에서 8시간 동안 숙성한 후 인쇄된 알루미늄 합금 부품의 크기 변화율은 연간 0.3%에서 연간 0.05%로 감소했습니다.
복잡한 구조의 적응: 열처리는 벽이 얇고 다공성인-복잡한 구조를 가공하는 동안 응력 축적을 방지하는 데 도움이 됩니다. 2중 어닐링(700도 × 2h+ 500도 × 4h) 후 티타늄 합금 정형외과 임플란트의 피로 한계는 450MPa에서 600MPa로 증가했으며 이는 시간이 지남에 따라 체중을 지탱하기에 충분합니다.
4. 특수 성능 요구 사항: 범용에서 맞춤형 혁신까지: 열처리는 금속 3D 프린팅 개체에 고유한 품질을 제공하여 더 많은 상황에서 유용하게 사용할 수 있습니다.
내부식성 향상: 고용체 처리는 재료의 두 번째 단계를 용해할 수 있으므로 전기화학적 수단을 통해 부식될 가능성이 줄어듭니다. 예를 들어, 1050도에서 용액으로 처리한 후 316L 스테인리스 스틸 인쇄 부품의 피팅 전위가 320mV에서 450mV로 증가하여 해상 조건에서 사용하기에 좋습니다.
자기 특성 제어: 열처리는 연자성 재료의 결정 방향 및 잔류 응력을 변경하여 자기 특성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 솔레노이드 밸브의 특정 부분을 750도까지 가열하면 투자율은 20% 증가하고 에너지 사용량은 15% 감소합니다.
생체적합성 개선: 의료용 임플란트는 표면 오염 물질을 제거하고 보호막을 만들기 위해 가열이 필요합니다. 예를 들어, 티타늄 합금 정형외과 임플란트의 표면 거칠기 Ra는 500도에서 산 세척 및 어닐링 후 3.2μm에서 0.8μm로 증가했으며, 임플란트에 세포가 부착되는 비율은 40% 증가했습니다.
5. 사례 연구: 열처리는 예상치 못한 방식으로 CuCrZr 합금 특성을 훨씬 더 좋게 만들 수 있습니다.
CuCrZr 합금은 전도성과 기계적 성질이 뛰어나 비행기 엔진 부품에 많이 활용됩니다. 그러나 일반적인 가공 방법을 사용하여 복잡한 구조를 만드는 것은 어렵고 비용이 많이 듭니다. SLM 기술로 만든 CuCrZr 합금은 매우 강하지만(항복 강도 411MPa) 전기 전도성이 좋지 않습니다(31% IACS). 500도에서 1시간 동안 가열한 후 인장강도는 585MPa, 전도도는 64% IACS로 향상됐다. 이는 일반적인 처리된 합금이 얼마나 잘 작동하는지와 유사합니다. 이 시나리오는 금속 3D 프린팅 재료를 최대한 활용하는 데 있어 열처리가 중요한 단계임을 보여줍니다.