Produzione additiva dei metalli: una Fondazione di Sforzo Residuo e di Complessità Microstrutturale

La produzione additiva (AM) di metalli, comunemente nota come stampa 3D in metallo, ha trasformato il paesaggio produttivo consentendo la fabbricazione di geometrie complesse che sono impossibili o proibitivamente costose da produrre con metodi subtrattivi convenzionali.

Le parti manufactured presentano spesso una microstruttura fine e non-equilibrio con grani colonnari, strutture di solidificazione cellulare o dendritica, e la porosità interna. Inoltre, i forti gradienti termici durante la stampa generano tensioni residue vicino alla superficie e le tensioni di compressione all'interno.

I trattamenti termici post-elaborazione non sono quindi miglioramenti opzionali ma passi essenziali per adattare la microstruttura, alleviare gli stress e raggiungere le proprietà meccaniche desiderate per applicazioni critiche in aerospaziale, impianti medici, automobilistico e utensili. La proprietà meccanica più importante per la progettazione contro la deformazione plastica è la resistenza al rendimento, lo stress a cui un materiale inizia a deformarsi in modo permanente.

La Basi metallurgica del potenziamento della resistenza del rendimento

I metalli, le dislocazioni sono difetti di linea che permettono la deformazione plastica a sollecitazioni molto sotto la forza teorica del cristallo perfetto. I meccanismi di rafforzamento—solido soluzione di rinforzo, indurimento delle precipitazioni, rinforzo dei bordi di grano (effetto Hall-Petch), e l'indurimento del lavoro—tutti operano creando ostacoli che le dislocazioni devono superare.

I rapidi tassi di raffreddamento (104 a 106 K/s in SLM) soppongono trasformazioni di fase controllate dalla diffusione, con conseguente soluzioni solide supersaturi, fasi metastali e strutture cellulari fini. Queste caratteristiche possono fornire una certa forza intrinseca, ma lasciano anche il materiale vulnerabile allo stress rilassamento e all'instabilità termica a temperature moderate.

Ad esempio, in leghe temprabili da precipitazioni come Inconel 718 o AlSi10Mg, la microstruttura as-costruita contiene un'alta densità di dislocazioni e una scala sottile di segregazione. Un trattamento di soluzione dissolve fasi indesiderate e omogeneizza la composizione, mentre un successivo trattamento di invecchiamento precipita particelle intermetalliche nanoscala che agiscono come potenti siti di dislocazione.

Trattamenti comuni post-processsing per i metalli AM

Rilievo di stress Annealing

La parte viene riscaldata ad una temperatura inferiore alla gamma di ricristallizzazione (tipicamente 500–700°C per acciai e leghe di nichel) e tenuta per 1–4 ore, seguita da raffreddamento lento o controllato. Lo scopo primario è quello di ridurre gli stress residui senza alterare significativamente la struttura del grano.

Trattamento e invecchiamento della soluzione

Per leghe induribili, il trattamento della soluzione è un passo critico. La lega è riscaldata ad una temperatura in cui tutti i precipitati si dissolvono in soluzione solida (di solito 950–1200°C per superalloy a base di nichel), quindi rapidamente disseminata per mantenere una soluzione solida supersaturi. La parte viene poi riscaldata ad ostacoli intermedi (invecchiamento, 600–800°C) per diverse ore per precipitare una fine dispersione di particelle coerente o semi-de.

Le variabili importanti includono temperatura di soluzione, tempo di immersione, tasso di quench, temperatura di invecchiamento e tempo di invecchiamento. L'invecchiamento (riscaldamento prolungato o temperatura più alta) coarsens i precipitati, riducendo la loro efficacia di rinforzo e portando ad una diminuzione della resistenza di resa.

Normalizzazione e Annealing

Per gli acciai e leghe di titanio che subiscono trasformazioni di fase a stato solido, la normalizzazione comporta il riscaldamento sopra la temperatura di trasformazione (ad esempio, l'austenitizing per gli acciai) seguito dal raffreddamento dell'aria. Questo affina la dimensione del grano e produce una microstruttura più uniforme, che può aumentare la resistenza al rendimento tramite l'effetto Hall-Petch (i piccoli cereali forniscono più superficie di confine per volume unitario, impedendo il movimento di dislocazione).

Tempera

In acciai inossidabili o in acciaio inox, la tempera può trasformare la marmitta in martensite temperata con una fine dispersione di carburi, aumentando la resistenza alla resa e la durezza simultaneamente. La temperatura e il tempo di tempramento devono essere controllati per evitare il sovrappeso, che riduce la durezza.

Impatto dei parametri di trattamento termico sulla resistenza dei reflui

Per ogni sistema di lega esiste una finestra di lavorazione che massimizza la forza evitando effetti dannosi come la crescita del grano, l'embrionamento o la formazione di fasi indesiderate.

Tempo e temperatura

Nei sistemi di indurimento delle precipitazioni, la resistenza al rendimento aumenta tipicamente con il tempo di invecchiamento fino a un picco, quindi diminuisce come precipita coarsen (Ostwald maturazione). Le temperature di invecchiamento più elevate accelerano la cinetica ma spostano il picco a tempi più brevi. Ad esempio, in AlSi10Mg additivamente fabbricati, un trattamento diretto a 160°C per 6 ore può aumentare la resistenza al rendimento da ~200 MPa (come costruito) a ~80

Tasso di raffreddamento

Il raffreddamento lento permette precipitati a formarsi durante il raffreddamento (invecchiamento di nichel), che può ridurre l'efficacia del passaggio successivo di invecchiamento. Il tasso di quench colpisce anche i livelli di stress residui. L'acqua che sporge induce maggiori sollecitazioni termiche rispetto alle fasi di raffreddamento dell'olio o dell'aria, che possono richiedere un ulteriore sollievo dallo stress.

Numero di cicli

Molti cicli di invecchiamento o di doppia invecchiamento (ad esempio, pre-invecchiamento a bassa temperatura seguito da un'invecchiamento ad alta temperatura) sono talvolta utilizzati per creare una doppia distribuzione di precipitati, migliorando sia la resistenza di resistenza e di strisciamento.

Considerazioni della lega-Specifiche

Lega di titanio (Ti-6Al-4V)

Ti-6Al-4V è la lega di titanio più utilizzata in AM. La microstruttura as-costruita è costituita da martensite acicolare a causa di un rapido raffreddamento. Questa martensite ha alta resistenza ma bassa duttilità. Un sollievo dallo stress a 600–700°C per 1–2 ore trasforma il α' in una struttura lamellare fine, aumentando la duttilità, mantenendo o leggermente aumentando la resistenza di rendimento (da ~505° MPa

Superalloys (Inconel 718, Inconel 625)

Inconel 718 è indurito da γ'' (Ni3Nb) e γ' (Ni3(Al,Ti)) fasi. La microstruttura as-costruita contiene fasi di Laves e la segregazione Nb, che riducono la forza.

Acciaio inossidabile (17-4 PH, 316L)

17-4 PH (indurimento di precipitazione matensitica) può essere trattato termicamente per produrre resistenze superiori a 1300 MPa. La condizione as-costruita spesso contiene austenite conservata, che abbassa la resistenza. Una soluzione tratta a 1050°C seguita da invecchiamento a 480°C (condizione H900) massimizza la precipitazione di cluster ricchi di Cu-rassi.

Meccanismi della variazione di resistenza dei resi: dalla tensione residua alle trasformazioni di fase

Lo stress residuo può influenzare le misurazioni della resistenza alla resa. Nello stato as-costruito, le tensioni residue vicino alla superficie possono causare la resa precoce sotto un carico di trazione applicato, riducendo efficacemente la resistenza apparente alla resa. L'impastatura di sollievo Stress allevia queste sollecitazioni superficiali, spesso dando un modesto aumento della resistenza alla trazione.

La struttura cellulare sottile vista in metalli lavorati a SLM (dimensioni delle cellule 0,5-2 μm) agisce in modo simile ai confini del grano in un movimento di dislocazione impedente. Tuttavia, queste cellule non sono confini del grano ad alto angolo; sono confini a basso angolo ricchi di dislocazioni. Il trattamento termico può annientare queste dislocazioni, riducendo la densità della parete cellulare e la resistenza potenzialmente inferiore.

La maggior parte delle leghe AM hanno una struttura a grano colonnare orientata lungo la direzione di costruzione a causa della crescita epitassiale. I trattamenti ad alta temperatura possono causare una crescita anormale del grano, soprattutto in assenza di particelle di pinning del grano. Ad esempio, in Ti-6Al-4V, il riscaldamento sopra il β-transus per periodi estesi può portare a β granulometria superiore a 500 μm, riducendo drasticamente la resistenza alla resa attraverso i tassi brevi Hall.

Uno studio NIST[[] su Inconel 625 additivamente prodotto ha rilevato che un trattamento termico di invecchiamento diretto (senza trattamento di soluzione preliminare) ha aumentato la resistenza alla resa del 30% rispetto alla condizione di costruzione, mentre una soluzione completa e un trattamento di invecchiamento è aumentata del 50%. La differenza è stata attribuita alla dissoluzione delle fasi di Laves nella fase di soluzione, che ha permesso di maggiore importanza uniforme della composizione di consolidamento.

Implicazioni pratiche per l'istruzione e l'industria

Gli educatori che insegnano la scienza dei materiali o l'ingegneria manifatturiera devono sottolineare che il trattamento termico dei metalli AM non è un processo a misura unica. La microstruttura di partenza è unica e altamente sensibile alla costruzione di parametri (potenza del laser, velocità di scansione, spessore dello strato, spaziatura di portellone).

I cicli di trattamento termico per le parti AM sono spesso più lunghi di quelli per i componenti di peso, a causa della necessità di omogeneizzare la microsegregazione. I forni a gas sottovuoto o inerte sono spesso necessari per prevenire l'ossidazione delle leghe reattive come il titanio.

Un'altra considerazione pratica è la distorsione. Le parti AM sottili sono particolarmente inclini a deformarsi durante il riscaldamento e il quenching. Il fissaggio e l'uso di una rampa di riscaldamento a passo può ridurre al minimo questo. In alcuni casi, la pressatura isostatica a caldo (HIP) è combinata con il trattamento termico; HIP applica una pressione isostatica elevata a temperatura elevata, chiudendo la porosità interna mentre si eseguendo contemporaneamente una forma di trattamento termico.

I dati di resistenza dei reflui per i metalli AM con vari trattamenti termici sono sempre più disponibili in database come il database di proprietà dei materiali MatWeb. Tuttavia, gli ingegneri dovrebbero verificare i dati da macchine specifiche e lotti di polvere, in quanto la variabilità batch-to-batch può essere significativa.

Direzioni future: trattamenti di calore su misura e caratterizzazione avanzata

Il campo si sta muovendo verso trattamenti termici su misura che considerano la storia termica locale di ogni regione della parte. Poiché AM costruisce hanno diverse storie termiche vicino alla basepiastra rispetto alla parte superiore, e vicino contorni versus core, un trattamento termico uniforme forno potrebbe non essere ottimale per l'intero componente.

Le tecniche di caratterizzazione avanzate, la diffrazione di electron backscatter (EBSD), la microscopia elettronica di trasmissione (TEM), e la diffrazione di raggi X di sincrotrone, stanno fornendo nuove informazioni su come le precipitazioni e la recristallizzazione si evolvono durante il trattamento termico.

Per gli studenti e i ricercatori, esplorare l'interazione tra orientamento ed impronta ed adattamento al calore è un argomento fertile. Ad esempio, le parti costruite verticalmente spesso mostrano diversi punti di resa dopo il trattamento termico rispetto alle parti costruite orizzontalmente a causa della struttura anisotropica del grano colonnare.

Conclusioni

I trattamenti termici post-elaborazione sono indispensabili per ottimizzare la resistenza alla resa dei metalli additivamente fabbricati. La microstruttura as-built, caratterizzata da stress residui, strutture cellulari fini e fasi non-equilibrio, fornisce un punto di partenza unico che risponde in modo diverso al trattamento termico rispetto ai materiali di costruzione.