금속 3D 프린팅 후 열처리가 필요한 이유는 무엇입니까?

1. 잔류응력을 제거하는 것이 변형과 균열을 막는 열쇠입니다.
금속을 3D 프린팅하는 과정에서 재료는 가열과 냉각의 빠른 주기를 거치게 되며, 이로 인해 제품에 잔류 장력이 남게 됩니다. 예를 들어, LPBF(레이저 분말층 용융) 공정에서는 용융 풀이 빠르게 냉각되어 아직 녹지 않은 주변 금속에 응력을 가할 수 있습니다. 재료에 비해 응력이 너무 높으면 부품이 구부러지거나 갈라지거나 크기 제한을 초과할 수 있습니다. 예를 들어, 티타늄 합금 항공기 엔진 블레이드는 벽이 얇습니다. 인쇄 후 열처리를-하지 않으면 잔류 장력으로 인해 가공이나 사용 중에 예상치 못한 파손이 발생할 수 있어 매우 위험합니다.
응력 감소 어닐링 및 기타 열처리 방법은 잔류 응력을 매우 잘 제거할 수 있습니다. 어닐링 과정에서 조각은 재결정점 이하의 온도(일반적으로 재료 녹는점의 50%~70%)까지 가열되고, 일정 시간 동안 유지된 후 점진적으로 냉각됩니다. 이때, 재료의 내부 전위가 재배열되고 입자가 회복 및 재결정화되어 응력이 해제됩니다. 예를 들어 특정 종류의 터빈 디스크를 650도에서 4시간 동안 어닐링하면 잔류 응력이 320MPa에서 80MPa로 감소하고 변형이 90% 감소했습니다. 이를 통해 가공이 정확하다는 것을 확인했습니다.
2. 미세 구조 개선: 재료가 전반적으로 더 잘 작동하도록 만듭니다.
금속 3D 프린팅의 빠른 응고는 거친 미세 구조와 구성 분리를 유발하여 부품 성능을 손상시킬 수 있습니다. 예를 들어, LPBF-인쇄된 316L 스테인리스강은 거친 원주형 결정을 가질 수 있으며 피로 저항성은 단조강보다 40% 낮습니다. 열처리는 미세 구조를 제어하여 작업을 더 좋게 만들 수 있습니다.
결정립 미세화: 어닐링 중에 재결정 과정을 통해 결정립이 더 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, 금형강 인쇄 부품의 경도는 1050도에서 담금질하고 200도에서 템퍼링한 후 최대 58HRC까지 올라갑니다. 내마모성은 처리되지 않은 부품에 비해 3배 이상 높습니다.
결함 제거: 열간 등압 성형(HIP) 처리 시 고온(일반적으로 재료 녹는점의 0.7~0.9배)과 고압(100~200MPa)의 시너지 효과로 부품의 내부 구멍과 미세 균열을 막을 수 있습니다. HIP 처리 후, 특정 항공 엔진용 고온 합금 부품의 밀도는 99.2%에서 99.99%로 증가했고 부품 수명은 5배 더 길어졌습니다.
3. 기계적 성능을 향상시키기 위해 높은-강도 표준을 충족합니다.
금속 3D 프린팅 제품의 기계적 품질은 전통적인 방법으로 제작된 제품만큼 좋지 않은 경우가 많습니다. 그러나 열처리를 하면 훨씬 더 강하고 단단하고 단단해질 수 있습니다.
담금질 처리는 빠르게 냉각하여 마텐자이트 조직을 만들어 훨씬 단단하게 만듭니다. 예를 들어, 니켈-기반 고온-합금으로 제작된 인쇄 부품의 인장 강도는 1120도에서 담금질한 후 850MPa에서 1200MPa로 증가했습니다.
더 나은 인성: 템퍼링은 담금질 스트레스를 제거하고 상황을 더 강하게 만들 수 있습니다. 예를 들어, 550도에서 담금질 및 뜨임 후 자동차 변속기 샤프트 인쇄 부분의 충격 인성은 15J/cm²에서 35J/cm²로 증가하여 충돌 안전 기준을 충족했습니다.
피로 성능 극대화: 열처리는 미세 구조와 잔류 응력을 제어하여 재료의 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 예를 들어, 이중 어닐링(2시간 동안 700도, 4시간 동안 500도)은 티타늄 합금 정형외과 임플란트의 피로 한계를 450MPa에서 600MPa로 높였으며 이는 신체의 장기간-체중을 지탱하기에 충분합니다.
4. 치수가 안정적인지 확인하십시오. 정확한 조립을 위해 표준을 일치시키십시오.
프린팅 후 금속 3D 프린팅 조각은 잔류 응력 방출이나 미세 구조 변화로 인해 크기가 변경될 수 있습니다. 이로 인해 올바르게 결합하기가 더 어려워질 수 있습니다. 열처리는 미세구조를 안정화시키고 장력을 제거하여 치수안정성을 훨씬 더 좋게 만들 수 있습니다.
낮은 변형: 어닐링 처리는 부품 간의 열팽창 계수 차이를 낮추고 가공 변형을 낮출 수 있습니다. 예를 들어, 어닐링 후 복잡한 흐름 채널 열교환기용 인쇄 부품의 직경 편차가 ± 0.15mm에서 ± 0.05mm로 감소하여 밀봉 유체 표준을 충족했습니다.
시간 경과에 따른 안정성: 인공 노화 및 기타 노화 처리는 재료의 과포화 고용체를 제거하고 시간이 지남에 따라 크기가 너무 많이 변하지 않도록 할 수 있습니다. 예를 들어, 알루미늄 합금 인쇄 부품의 크기 변화율은 170도에서 8시간 동안 숙성한 후 연간 0.3%에서 연간 0.05%로 감소했습니다. 이는 항공우주의 장기적인-서비스 요구 사항을 충족했습니다.
5. 고유한 성능 요구 사항 충족: 사용 범위 확대
열처리는 또한 금속 3D 프린팅 품목에 특정 품질을 제공하여 더 많은 장소에서 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 스테인레스 스틸 인쇄 부품의 공식 전위는 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 부분의 투자율은 750도까지 가열된 후 20% 증가하고 사용되는 에너지 양은 15% 감소합니다.
생체적합성 개선: 의료용 임플란트는 표면 오염 물질을 제거하고 보호막을 만들기 위해 가열이 필요합니다. 예를 들어, 산 세척 및 500도 어닐링 후 티타늄 합금 정형외과 임플란트의 표면 거칠기 Ra는 3.2μm에서 0.8μm로 증가하고 세포 부착률은 40% 증가했습니다.