3D tisk z Inconelu 718

Přehled

Inconel 718 je vysoce pevná nikl-chromová superslitina široce používaná pro aplikace s extrémními teplotami, jako jsou součásti plynových turbín, raketové motory a jaderné reaktory. Kombinace vynikajících mechanických vlastností, odolnosti proti korozi a zpracovatelnosti činí z Inconelu 718 všestranný materiál napříč průmyslovými odvětvími, jako je letecký průmysl, ropa a plyn, výroba energie a automobilový průmysl.

V posledních letech se aditivní výroba (AM) Inconelu 718 objevila jako transformační výrobní metoda pro výrobu složitých, vysoce výkonných kovových dílů. AM, známá také jako 3D tisk, staví komponenty vrstvu po vrstvě přímo z 3D modelu bez omezení tradičního obrábění nebo odlévání.

Tato příručka poskytuje hloubkový pohled na 3D tisk Inconel 718, včetně vlastností slitiny, oblíbených typů AM procesů, parametrů, mikrostruktur, mechanického chování, následného zpracování, aplikací a dodavatelů. Jejím cílem je pomoci inženýrům, konstruktérům a manažerům technických programů při implementaci 3D tisku Inconel 718 a kvalifikaci tištěných dílů pro výrobní použití.

Přehled slitiny Inconel 718

Inconel 718 je precipitačně vytvrzená nikl-chromová slitina obsahující důležité legující prvky, jako je niob, molybden, hliník a titan.

Složení Inconel 718

Živel	Hmotnost %	Účel
Nikl	50-55%	Odolnost proti korozi, tažnost
Chrom	17-21%	Odolnost proti oxidaci
Žehlička	Zůstatek	Nákladová efektivita
Niob	4.75-5.5%	Posílení srážek
Molybden	2.8-3.3%	Zpevnění pevného roztoku

Nikl a chrom poskytují odolnost proti korozi a stabilitu při vysokých teplotách. Zpevňující prvky, jako je niob a molybden, poskytují vynikající pevnost prostřednictvím mechanismů precipitačního a roztokového zpevňování.

Vlastnosti Inconelu 718

• Vynikající pevnost až do 700 °C
• Vysoká rázová houževnatost a odolnost proti únavě
• Dobrá odolnost proti oxidaci a korozi
• Vysoká pevnost v tahu při tečení
• Snadno tvarovatelný a svařitelný standardními technikami
• Hustota 8,19 g/cm3

Tato kombinace vlastností činí Inconel 718 vhodným pro extrémní prostředí nad rámec možností ocelí a hliníkových slitin.

3D tisk z Inconelu 718 Procesy

Několik procesů aditivní výroby prokázalo úspěch s Inconelem 718 a zaznamenává se jejich rostoucí zavádění pro výrobní aplikace:

Oblíbené AM procesy pro Inconel 718

Proces	Popis	Hustota	Mikrostruktura	Mechanické vlastnosti
Laserová fúze v práškovém loži (L-PBF)	Laser taje vrstvy prášku	99.5%+	Sloupcová zrna, určitá pórovitost	Pevnost v tahu v rozsahu kování
Fúze v práškovém loži s elektronovým svazkem (E-PBF)	Elektronový paprsek taje prášek	99.5%+	Sloupcová zrna, určitá pórovitost	Pevnost v tahu v rozsahu kování
Usměrněná depozice energie (DED)	Zacílený zdroj tepla taje prášek nebo podávání drátu	99%	Epitaxní zrna, určitá pórovitost	Proměnná na základě parametrů procesu
Tryskání pojiva	Tekuté pojivo selektivně spojuje částice prášku	60%+	Porézní, vyžaduje infiltraci	Nízká jako tištěná, zlepšuje se s infiltrací

L-PBF a E-PBF mohou dosáhnout hustoty přes 99,5 % s vlastnostmi blížícími se kovanému Inconelu 718. DED a spojovací tryskání vyžadují následné zpracování, aby se dosáhlo plné hustoty.

Každý proces vyžaduje optimalizaci parametrů tisku, aby se dosáhlo požadované mikrostruktury a vlastností.

Parametry 3D tisku Inconel 718

Parametry tisku významně ovlivňují výslednou mikrostrukturu, vady a mechanické vlastnosti tištěných dílů z Inconelu 718.

Klíčové parametry tisku Inconel 718

Parametr	Typický rozsah	Dopad
Tloušťka vrstvy	20-100 μm	Hustota, povrchová úprava
Výkon laseru/paprsku	100-500 W	Velikost taveniny, rychlost ohřevu
Rychlost skenování	100-1000 mm/s	Rychlost chlazení, tuhnutí
Rozteč poklopů	50-200 μm	Spojení mezi průchody
Zaměření paprsku	30-100 μm	Šířka, hloubka taveniny
Velikost prášku	10-45 μm	Tekutost prášku, povrchová úprava

Tenčí vrstvy a užší průchody zvyšují hustotu a spojení, ale snižují rychlost stavění. Rychlejší skenování dává jemnější zrna, ale může způsobit praskání za tepla. Malé velikosti prášku zlepšují povrchovou úpravu.

Pečlivá optimalizace parametrů přizpůsobuje strukturu zrn, pevnost, tažnost, kvalitu povrchu a produktivitu tisku.

Mikrostruktury 3D tisku Inconel 718

Inconel 718 vykazuje rozmanité mikrostruktury při tisku pomocí AM procesů:

Mikrostrukturní prvky v tištěném Inconelu 718

• Sloupcová zrna rovnoběžná se směrem stavění
• Epitaxní zrna odpovídající orientaci základní desky
• Typická šířka zrna 100-400 μm
• Zpevnění tuhnutím mezi jádry dendritů a interdendritickými oblastmi
• Nedostatek textury ve srovnání s kovaným produktem
• Vytváření zpevňujících fází, jako je γ” a γ’
• Pórovitost a mikrotrhliny z neúplné fúze

Morfologie zrn sleduje tok tepla a vzorce tuhnutí během tisku. Zpevnění vede k chemickým variacím, které mohou způsobit praskání. Je zapotřebí pečlivé zpracování, aby se dosáhlo jednotné, řízené mikrostruktury.

Tepelné zpracování rozpouští nepříznivé fáze a podporuje vytvrzující sraženiny, jako je Ni3Nb gamma-double-prime pro optimální pevnost.

Vlastnosti tištěného Inconelu 718

Zpracování AM může dosáhnout mechanických vlastností srovnatelných s kovaným Inconelem 718 se správnou optimalizací:

Mechanické vlastnosti Inconel 718

Vlastnictví	Stav, v jakém byl vytištěn	Kované válcované žíhané
Pevnost v tahu	1000-1300 MPa	1000-1200 MPa
Mez kluzu	500-1100 MPa	500-900 MPa
Prodloužení	10-35%	20-35%
Únavová pevnost	100-600 MPa	300-500 MPa
Tvrdost	25-50 HRC	25-35 HRC

Pevnost splňuje nebo překračuje úrovně kování, i když prodloužení a vlastnosti únavy zůstávají nižší a variabilnější.

Anizotropie v tahu se pozoruje mezi vertikální a horizontální orientací stavění. Vlastnosti jsou silně ovlivněny použitými specifickými parametry AM procesu.

Následné zpracování tištěného Inconelu 718

Procesy po tisku jsou často vyžadovány ke zlepšení povrchové úpravy, rozměrové přesnosti a vlastností materiálu:

Běžné metody následného zpracování

• Tepelné zpracování – Vyvíjí optimální mikrostrukturu a precipitační vytvrzování
• Izostatické lisování za tepla – Uzavírá vnitřní dutiny a pórovitost
• Povrchové obrábění – Snižuje drsnost povrchu pro kritické povrchové úpravy
• Zpevňování povrchu – Vyvolává tlaková napětí pro zlepšení únavové životnosti
• Nátěry – Poskytuje odolnost proti opotřebení nebo korozi, pokud je to nutné

Standardní tepelné zpracování pro kalení stárnutím Inconelu 718 se běžně používá, i když někteří upravují tepelné zpracování pro AM mikrostruktury. Obrábění, broušení nebo leštění se používá tam, kde jsou požadavky na povrchovou úpravu přísné.

Aplikace tištěného Inconelu 718

3D tisk Inconel 718 je vhodný pro:

• Aerospace – Součásti turbín, trysky raket, sestavy motorů
• Výroba energie – Horké části plynových turbín, obložení jaderného paliva
• Automobilový průmysl – Kola a kryty turbodmychadel
• Petrochemický – Nástroje pro vrtání, ventily, čerpadla
• Prostor – Součásti satelitů a startovacích ramp
• Léky – Zubní implantáty, chirurgické nástroje

Výhody oproti konvenčním metodám:

• Volnost návrhu pro složité geometrie
• Snížení hmotnosti pomocí mřížek a optimalizace topologie
• Konsolidace dílů, snížená montáž
• Kratší dodací lhůty pro výrobu na vyžádání
• Přizpůsobené tvary, digitálně řízené inventáře

Omezení zahrnují náklady na procesy pro nízké objemy výroby a problémy s certifikací v regulovaných odvětvích.

Dodavatelé tištěného Inconelu 718

Mnoho výrobců nabízí celosvětově služby 3D tisku Inconelu 718:

Výběr poskytovatelů služeb

Společnost	AM procesy	Další materiály	Výrobní kapacita
Přísady GE	DED, Binder Jetting	Slitiny titanu, oceli, superslitiny	Velké objemy
Materialise	Laser PBF	Titan, hliník, oceli	Střední objemy
3D Systems	Laser PBF, tryskání pojiva	Titan, nerezová ocel, CoCr, AlSi10Mg	Prototypování až střední objemy
Equispheres	Laser PBF	Titan, oceli, hliník	Malé objemy
Přísada pro tesaře	Laser PBF, E-PBF	Titan, nerezová ocel, nástrojové oceli	Střední objemy

Tisk Inconelu 718 nabízejí jak velcí výrobci OEM, tak i specializované servisní kanceláře AM. Mnoho z nich poskytuje sekundární dokončovací operace.

Náklady na díly se pohybují odhadem od 100 do 500 USD/lb v závislosti na velikosti objednávky, požadavcích na kvalitu a použité metodě zpracování.

Kvalifikace tištěných dílů z Inconelu 718

Pro letecký průmysl a další regulované aplikace platí přísné kvalifikační protokoly:

• Mechanické zkoušky v rozsahu tiskových orientací
• Chemická analýza pro shodu složení
• Nedestruktivní hodnocení (NDE) pro detekci vad
• Dlouhodobé hodnocení výkonu prostřednictvím tepelného zpracování, horkého izostatického lisování, zkoušek obráběním
• Hodnocení reprodukovatelnosti procesu
• Dokumentace optimalizace parametrů, mikrostruktur, prevence vad

Zkušební artefakty, jako jsou tahové tyče, únavové vzorky a materiálové kupóny, optimalizují charakterizaci tištěných vlastností.

Dodržování platných průmyslových specifikací podporuje certifikaci a schválení výroby.

FAQ

Jaká velikost částic se doporučuje pro tisk Inconelu 718?

Typický je prášek 10-45 mikronů, přičemž jemnější prášek ~15 mikronů zlepšuje hustotu a povrchovou úpravu, ale zhoršuje průtok a regeneraci.

Co způsobuje pórovitost při tisku Inconelu 718?

Nedostatečné tavení, nedostatek fúze mezi vrstvami a zachycený plyn způsobují dutiny. Optimalizace vstupu energie, vzorů skenování, tloušťky vrstev a proudění plynu snižuje pórovitost.

Jaké následné zpracování zlepšuje únavovou životnost tištěného Inconelu 718?

Brokování indukuje příznivé tlakové napětí, které inhibuje vznik a růst trhlin. HIP a obrábění také pomáhají uzavírat povrchové póry.

Jak se tištěný Inconel 718 srovnává s litým a kovaným 718?

AM se blíží mechanickým vlastnostem litého a kovaného materiálu, ale s jemnější, více segregovanou mikrostrukturou. Tepelné zpracování může dosáhnout precipitačního zpevnění srovnatelného s tvářeným produktem.

Jaké jsou některé alternativy k Inconelu 718 pro 3D tisk?

Kobaltová chromová slitina, niklové superslitiny jako 625 a 686 a precipitačně vytvrzované nerezové oceli nabízejí podobné vysokoteplotní vlastnosti. Slitiny titanu vynikají tam, kde je rozhodující nižší hustota.

Můžete 3D tisknout bimetalový díl z Inconelu 718 a nerezové oceli?

Ano, řízené ukládání energie je schopno přecházet mezi různými slitinami přesným přepínáním prášku nebo drátu pro vytváření vícedílných komponent.

Závěr

Stručně řečeno, 3D tisk Inconelu 718 uvolňuje výjimečnou svobodu designu a zlepšení výkonu s využitím této vysoce pevnostní superslitiny. Sladění požadavků na díly s možnostmi procesu a optimalizace tiskových parametrů je klíčem k využití výhod oproti konvenčním metodám. Neustálý pokrok v kvalitě, vlastnostech, vícedílných strukturách a nákladech nadále rozšiřuje zavádění Inconelu 718 AM v náročných průmyslových aplikacích.

znát více procesů 3D tisku