Por que o tratamento térmico é necessário após a impressão 3D de metal?

1. Livrar-se da tensão residual é a chave para impedir deformações e fissuras.
Durante o processo de impressão 3D do metal, o material passa por rápidos ciclos de aquecimento e resfriamento, o que deixa tensões residuais nos produtos. Por exemplo, no processo de fusão em leito de pó a laser (LPBF), a poça de fusão esfria rapidamente, o que pode sobrecarregar o metal circundante que ainda não derreteu. A peça pode dobrar, rachar ou ultrapassar o limite de tamanho se a tensão for muito alta para o material. Por exemplo, as pás dos motores de aeronaves em liga de titânio têm paredes finas. Se não forem-tratados termicamente após a impressão, a tensão residual poderá fazer com que quebrem inesperadamente durante o processamento ou uso, o que seria muito perigoso.
O recozimento para redução de tensão e outros métodos de tratamento térmico podem eliminar muito bem a tensão residual. Durante o processo de recozimento, as peças são aquecidas a uma temperatura abaixo do ponto de recristalização (normalmente 50% a 70% do ponto de fusão do material), mantidas ali por um determinado período de tempo e depois resfriadas progressivamente. Nesse momento, os deslocamentos internos do material são reorganizados, os grãos se recuperam e recristalizam e a tensão é descarregada. Por exemplo, um tipo específico de disco de turbina foi recozido a 650 graus durante 4 horas, o que reduziu a tensão residual de 320MPa para 80MPa e a deformação em 90%. Isso garantiu que a usinagem seria precisa.
2. Melhorar a microestrutura: fazer com que os materiais funcionem melhor em geral
A rápida solidificação da impressão 3D de metal pode causar microestrutura áspera e segregação de composição, o que pode prejudicar o desempenho das peças. Por exemplo, o aço inoxidável 316L impresso-com LPBF pode ter cristais colunares ásperos e sua resistência à fadiga é 40% menor que a do aço forjado. O tratamento térmico pode fazer com que as coisas funcionem melhor, controlando a microestrutura:
Refinamento de grãos: Durante o recozimento, o processo de recristalização pode tornar os grãos menores. Por exemplo, o recozimento de peças impressas em liga de alumínio a 350 graus por 2 horas reduz o tamanho do grão de 100 μm para 20 μm e aumenta o limite de escoamento em 15%.
Controle da mudança de fase: ao temperar e revenir o aço, você pode criar uma estrutura de-fase dupla compreendendo martensita e austenita residual. Por exemplo, a dureza dos componentes impressos em aço para moldes sobe para 58HRC após serem temperados a 1050 graus e revenidos a 200 graus. A resistência ao desgaste é três vezes maior que a das peças que não foram tratadas.
Livrar-se de falhas: A ação sinérgica de alta temperatura (normalmente 0,7–0,9 vezes o ponto de fusão do material) e alta pressão (100–200MPa) no tratamento de prensagem isostática a quente (HIP) pode fechar furos internos e microfissuras nas peças. Após o tratamento HIP, a densidade das peças de liga-de alta temperatura para um determinado motor de aviação aumentou de 99,2% para 99,99%, e as peças duraram 5 vezes mais.
3. Atenda aos altos-padrões de resistência para melhorar o desempenho mecânico.
As qualidades mecânicas dos itens metálicos impressos em 3D frequentemente não são tão boas quanto aquelas feitas com métodos tradicionais. No entanto, o tratamento térmico pode torná-los muito mais fortes, mais duros e mais resistentes.
O tratamento de têmpera cria uma estrutura martensítica ao resfriá-la rapidamente, o que a torna muito mais dura. Por exemplo, a resistência à tração de peças impressas feitas de liga de alta-base de níquel-de alta temperatura passou de 850 MPa para 1.200 MPa após têmpera a 1.120 graus.
Melhor resistência: o temperamento pode eliminar o estresse e tornar as coisas mais difíceis. Por exemplo, após têmpera e revenimento a 550 graus, a resistência ao impacto de uma seção impressa do eixo de transmissão de um carro passou de 15J/cm² para 35J/cm², o que atendeu aos padrões de segurança para colisões.
Maximizando o desempenho em fadiga: O tratamento térmico pode prolongar significativamente a vida útil de um material, controlando sua microestrutura e tensão residual. Por exemplo, o recozimento duplo (700 graus por 2 horas e 500 graus por 4 horas) aumentou o limite de fadiga dos implantes ortopédicos de liga de titânio de 450 MPa para 600 MPa, o que é suficiente para suportar o peso-do corpo a longo prazo.
4. Certifique-se de que as dimensões permaneçam estáveis: correspondam aos padrões para uma montagem precisa.
Após a impressão, as peças metálicas impressas em 3D podem mudar de tamanho devido à liberação de tensão residual ou alterações na microestrutura. Isso pode tornar mais difícil montá-los corretamente. O tratamento térmico pode melhorar muito a estabilidade dimensional, estabilizando a microestrutura e eliminando a tensão.
Menor deformação: O tratamento de recozimento pode diminuir a diferença no coeficiente de expansão térmica entre as peças e diminuir a deformação de usinagem. Por exemplo, após o recozimento, o desvio do diâmetro de uma peça impressa para um trocador de calor de canal de fluxo complexo caiu de ± 0,15 mm para ± 0,05 mm, o que atendeu aos padrões para fluidos de vedação.
Estabilidade ao longo do tempo: O envelhecimento artificial e outros tratamentos de envelhecimento podem eliminar soluções sólidas supersaturadas nos materiais e impedir que mudem muito de tamanho ao longo do tempo. Por exemplo, a taxa de alteração de tamanho das peças impressas em liga de alumínio caiu de 0,3% ao ano para 0,05% ao ano após serem envelhecidas a 170 graus durante 8 horas. Isso atendeu às-necessidades de serviço de longo prazo da indústria aeroespacial.
5. Satisfazer necessidades únicas de desempenho: alargar a gama de utilizações
O tratamento térmico também pode fornecer qualidades específicas aos itens metálicos impressos em 3D, o que os torna úteis em mais lugares:
Melhor resistência à corrosão: O tratamento com solução sólida pode dissolver a segunda fase do material, o que torna menos provável a corrosão por meios eletroquímicos. Por exemplo, após serem tratados com uma solução a 1050 graus, o potencial de corrosão dos componentes impressos em aço inoxidável 316L passou de 320mV para 450mV, o que é bom para uso em condições marítimas.
Controlando as características magnéticas: O tratamento térmico pode alterar a orientação dos grãos e a tensão residual de materiais magnéticos macios para melhorar suas propriedades magnéticas. Por exemplo, depois de ser aquecido a 750 graus, a permeabilidade magnética de uma determinada parte de uma válvula solenóide aumenta 20% e a quantidade de energia que utiliza diminui 15%.
Melhorar a biocompatibilidade: Os implantes médicos precisam ser aquecidos para se livrar dos contaminantes da superfície e formar uma película de passivação. Após lavagem ácida e recozimento a 500 graus, por exemplo, a rugosidade superficial Ra dos implantes ortopédicos de liga de titânio passou de 3,2 μm para 0,8 μm, e a taxa de adesão celular aumentou 40%.