Какой уровень прочности достигают 316L и 7075 после 3D-печати?

С точки зрения производства и инженерии уровни прочности нержавеющей стали 316L и алюминия 7075 после 3D-печати являются прямым следствием уникальной микроструктуры, формируемой при процессах, таких как прямое лазерное спекание металлов (DMLS). Важно понимать, что свойства в состоянии «как напечатано» существенно отличаются от свойств деформированного проката и в высокой степени зависят от конкретных параметров печати и последующей постобработки.

Механические свойства нержавеющей стали 316L при DMLS

Детали из 316L, изготовленные методом DMLS, обычно демонстрируют более высокую прочность, но немного меньшую пластичность по сравнению с отожжённым деформированным прокатом из-за чрезвычайно мелкой ячеистой микроструктуры и остаточных напряжений, возникающих при быстром затвердевании.

• Типичные механические свойства в состоянии «как напечатано» (DMLS):

  • Предел прочности при растяжении (UTS): 500–700 МПа

  • Предел текучести (0,2% смещения): 400–550 МПа

  • Относительное удлинение при разрыве: 30–50%

• Сравнение с деформированной 316L (отожжённой):

  • UTS: ~485 МПа

  • Предел текучести: ~170 МПа

  • Относительное удлинение: ~40%

• Ключевой вывод: Нержавеющая сталь 316L в состоянии «как напечатано» при DMLS имеет значительно более высокий предел текучести (часто более чем в два раза), при этом сохраняет высокую пластичность и коррозионную стойкость. Это делает её подходящей для ответственных применений в медицинских устройствах и в авиационно-космической отрасли.

• Влияние термообработки: Отжиг для снятия напряжений уменьшает внутренние напряжения при незначительном снижении прочности. Растворный отжиг (полный отжиг) приводит к рекристаллизации микроструктуры и сближает свойства с деформированным отожжённым материалом, существенно снижая предел текучести, но возвращая максимальную пластичность.

Механические свойства алюминиевого сплава 7075 при DMLS

Ситуация с алюминием 7075 более сложна и представляет серьёзную проблему для лазерного спекания порошкового слоя. 7075 — это высокопрочный, упрочняемый старением сплав (Zn — основной легирующий элемент), который сильно подвержен горячему и кристаллизационному растрескиванию при быстром охлаждении в процессе DMLS.

• Типичные механические свойства в состоянии «как напечатано» (DMLS), если удаётся избежать трещинообразования:

  • Предел прочности при растяжении (UTS): 200–350 МПа

  • Предел текучести (0,2% смещения): 100–250 МПа

  • Относительное удлинение при разрыве: 1–5%

• Сравнение с деформированным 7075-T6:

  • UTS: ~570 МПа

  • Предел текучести: ~500 МПа

  • Относительное удлинение: ~10%

• Ключевой вывод: Стандартный алюминий 7075 в состоянии «как напечатано» при DMLS имеет значительно более низкую прочность и пластичность по сравнению с деформированным материалом в состоянии T6. Процесс часто даёт хрупкую деталь с пониженной плотностью из-за микротрещин.

• Специализированные подходы и альтернативы:

  • Функционализация наночастицами: Исследования и специализированные процессы включают покрытие порошка 7075 наночастицами (например, Zr или TiB2) для формирования мелкозернистой микроструктуры и подавления растрескивания, что потенциально позволяет достичь прочности порядка 500 МПа по UTS после старения.

  • Альтернативные алюминиевые сплавы для DMLS: По этим причинам отраслевым стандартом для высокопрочных алюминиевых сплавов в DMLS являются AlSi10Mg и Scalmalloy®.

    • AlSi10Mg (как напечатано + старение): UTS ~400 МПа, предел текучести ~250 МПа. Обеспечивает хороший баланс прочности, малой массы и технологичности в печати.

    • Scalmalloy® (фирменный сплав Al-Mg-Sc): UTS ~520 МПа, предел текучести ~480 МПа, относительное удлинение ~10%. В настоящее время это самый высокопрочный алюминиевый сплав, широко доступный для DMLS и специально разработанный для аддитивного производства.

Сводка и инженерные выводы

Инженерные рекомендации:

1. Для высокопрочных нержавеющих применений: DMLS-детали из 316L — отличный выбор, обеспечивающий более высокий предел текучести по сравнению с деформированным материалом. Для оптимальной коррозионной стойкости рекомендуется пассивация.

2. Для высокопрочных алюминиевых применений: Избегайте стандартного 7075 для DMLS. Вместо этого используйте AlSi10Mg для хорошего баланса свойств или Scalmalloy® для максимально возможной прочности. Такие детали можно дополнительно улучшить с помощью анодирования для защиты поверхности.

3. Всегда проводите валидацию: Механические свойства зависят от конкретного процесса. Для ответственных деталей требуется материаловедческий отчёт от производителя на основе ваших конкретных параметров построения.