Hastelloy X-Pulver

Hastelloy X ist eine Superlegierung auf Nickelbasis mit außergewöhnlicher Hochtemperaturfestigkeit und hervorragenden Oxidations- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften. Sie behält ihre mechanischen Eigenschaften bis zu einer Temperatur von 1150 °C bei und eignet sich daher für kritische Komponenten in Triebwerken der Luft- und Raumfahrt, industriellen Gasturbinen, der chemischen Verarbeitung und der Handhabung von geschmolzenem Metall.

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Inhaltsübersicht

Übersicht

Hastelloy X ist eine Superlegierung auf Nickelbasis mit außergewöhnlicher Hochtemperaturfestigkeit und hervorragenden Oxidations- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften. Sie behält ihre mechanischen Eigenschaften bis zu einer Temperatur von 1150 °C bei und eignet sich daher für kritische Komponenten in Triebwerken der Luft- und Raumfahrt, industriellen Gasturbinen, der chemischen Verarbeitung und der Handhabung von geschmolzenem Metall.

Hastelloy X-Pulver kann zur Herstellung von Teilen aus dieser Hochleistungslegierung mittels additiver Fertigungsverfahren wie Laser-Pulverbettfusion (LPBF) und Elektronenstrahl-Pulverbettfusion (EBM) verwendet werden. Auf diese Weise können komplexe Geometrien direkt aus CAD-Daten gedruckt werden, ohne die Zwänge des traditionellen Gießens und der maschinellen Bearbeitung.

Im Vergleich zu herkömmlichen Nickelsuperlegierungen weist Hastelloy X dank strategischer Zusätze von anderen Elementen wie Kobalt und Molybdän eine höhere Zeitstandfestigkeit auf. Es widersteht oxidierenden, reduzierenden und neutralen Atmosphären bis hin zu extremen Temperaturen, was die Lebensdauer der Komponenten verlängert.

Mit additiver Fertigung können Konstrukteure leichtere Hastelloy X-Teile mit konformen Kühlkanälen und integrierten Baugruppen herstellen, die bisher nicht möglich waren. Dieser Leitfaden behandelt Hastelloy X-Pulverzusammensetzungen, Eigenschaftsdaten, Anwendungen, Druckerparameter und Lieferanten, um die Vorteile dieser Legierung zu nutzen.

Zusammensetzung von Hastelloy X-Pulver

Hastelloy X ist eine Ni-Cr-Fe-Co-Mo-Legierung mit Spurenzusätzen anderer Elemente zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften. Die nominale Zusammensetzung in Gewichtsprozent ist:

ElementNiCrFeCoMoWMnSi
Gewicht %bal.21.518.512.59.00.60.50.5
  • Nickel ist das wichtigste Basiselement, das eine FCC-Kristallmatrix bildet. Es senkt den Wärmeausdehnungskoeffizienten.
  • Chrom trägt durch die Bildung einer schützenden Chromoxidschicht auf der Oberfläche zur Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei.
  • Eisen, Kobalt und Molybdän verstärken das Material durch Mischkristallmechanismen. Kobalt erhält auch die Duktilität.
  • Wolfram verbessert die Hochtemperaturfestigkeit durch Karbidbildung weiter.
  • Spurenelemente wie Mangan und Silizium verbessern die Gießbarkeit und Warmumformbarkeit.

Modifikationen, die über diese Standardzusammensetzung hinausgehen, zielen darauf ab, die Legierung auf spezifische Anforderungen wie höhere Festigkeit oder Verarbeitbarkeit zuzuschneiden oder bestimmte Elemente zu minimieren.

Eigenschaften von Hastelloy X-Pulver

Hastelloy X zeichnet sich durch eine hervorragende Kombination von Hochtemperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitbarkeit und Schweißbarkeit aus. Die wichtigsten Eigenschaften sind:

EigentumWert
Dichte8,22 g/cm3
Schmelzpunkt1350°C
Zugfestigkeit760 MPa (bei 20°C)<br>140 MPa (bei 1090°C)
Dehnung %50% (bei 20°C)
Wärmeleitfähigkeit11,3 W/m-K
Wärmeausdehnungskoeffizient13,0 μm/m-°C
Elastizitätsmodul196-214 GPa
Querkontraktionszahl0.29-0.32
  • 55% behält seine Festigkeit bei Raumtemperatur bis zu 900°C bei. Die Zeitstandfestigkeit übersteigt 100 MPa für mehr als 1000 Stunden bei 980°C.
  • Widersteht Heißkorrosion und Oxidation in Hochgeschwindigkeitsgasen bis hin zu extremen Temperaturen. Es bildet sich eine schützende Cr2O3-Oxidschicht.
  • Die Verarbeitbarkeit ist dank der Kaltverformbarkeit von 45-55% und der Warmverformbarkeit bei hohen Temperaturen gut. Die maschinelle Bearbeitbarkeit wird mit 35% des rostfreien Stahls 303 bewertet.
  • Zeichnet sich durch hervorragende Schweißbarkeit aus. Der niedrige Kohlenstoffgehalt minimiert die Karbidausscheidung beim Schweißen.

Gedruckte Hastelloy X Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von AM-Hastelloy-X-Teilen hängen von der Herstellungsrichtung, den Verarbeitungsparametern und den Wärmebehandlungen ab. Isotrope Eigenschaften können im geglühten Zustand erreicht werden. Beispielhafte Daten:

EigentumUnbedruckter EBMFUnbedrucktes LPBF
Zugfestigkeit330 - 470 MPa500 - 660 MPa
Streckgrenze (0.2%)230 MPa320 MPa
Dehnung beim Bruch37%35%

Anwendungen von Hastelloy X

Hastelloy X wird häufig verwendet in:

Luft- und Raumfahrt: Brennkammern, Sprühbalken, Rohre, Gehäuse, Befestigungselemente und Gehäuse in Flugzeugtriebwerken und Turbinen für die Stromerzeugung an Land, da sie extrem temperatur- und umweltbeständig sind.

Chemische Verarbeitung: Reformerrohre, Spaltrohrschlangen, Wärmetauscher, Ventilteile, die der Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen und gemischten Industrieatmosphären bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind und Korrosionsbeständigkeit benötigen.

Verarbeitung von geschmolzenem Metall: Tiegel, Thermoelementummantelungen, Befestigungselemente und Pumpen-/Ventilkomponenten, die beim Gießen, Beschichten und Schmelzen mit geschmolzenem Glas, Aluminium, Zink, Blei, Kupfer, Stahl und Superlegierungen in Berührung kommen.

Kontrolle der Umweltverschmutzung: Rohre, Schornsteine, Wäscher, Ventilatoren, Klappen, die mit heißen, säurehaltigen Abgasen in Müllverbrennungsanlagen und Kohlekraftwerken umgehen, die Oxidation und Korrosion hervorrufen.

Metallbearbeitung: Warmumformungsmatrizen, Strangpressbehälter und Werkzeuge, die Superlegierungen, Titan und hochschmelzende Metalle bei hohen Temperaturen während der thermomechanischen Verarbeitung halten, wo Hitze- und Verschleißbeständigkeit entscheidend sind.

Hastelloy X-Teile mit additiver Fertigung hergestellt

Zu den Vorteilen der additiven Fertigung von Komponenten aus Hastelloy X gehören:

  • Herstellung komplizierter Kühlkanäle und bionischer Geometrien zur Verbesserung der Funktionalität
  • Konsolidierung von Baugruppen zur Reduzierung der Teilezahl
  • Anpassung von Legierungen zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften
  • Beschleunigte Design-Iteration und Teile auf Anfrage
  • Reduzierte Durchlaufzeiten und Lagerbestände
  • Konstruktion von komplexen Sandwichstrukturen mit Gittern
  • Gewichtsreduzierung von Komponenten durch Topologieoptimierung

Prozessparameter für das Drucken von Hastelloy X-Pulver

Bei LPBF und EBM werden dünne Metallpulverschichten mit einer Dicke von etwa 20 bis 100 Mikrometern aufgetragen und Bereiche auf der Grundlage von 3D-CAD-Daten mit einem Laser- bzw. Elektronenstrahl selektiv aufgeschmolzen. Die wichtigsten Parameter für Hastelloy X sind:

LPBF-Einstellungen

ParameterBereich
Laserleistung (W)195 - 380 W
Scan-Geschwindigkeit (mm/s)600-1550 mm/s
Strahlgröße (μm)50-200 μm
Schichtdicke (μm)20-50 μm
Abstand der Schraffur (μm)80-140 μm
SchutzgasArgon

EBM-Einstellungen

ParameterBereich
Strahlleistung (W)2,0-3,5 kW
Strahlgeschwindigkeit (m/s)1000-3000 m/s
Strahlgröße (μm)200
Schichtdicke (μm)50-200 μm
Linienversatz (μm)100
Vorwärmtemperatur (°C)1000°C

Bei beiden Verfahren wird nach dem Spannungsarmglühen und dem heißisostatischen Pressen eine Teiledichte von über 99% erreicht. Minimale Strukturgrößen von ~100-200 Mikrometer sind möglich.

Lieferanten von Hastelloy X-Pulver für AM

UnternehmenProdukt-BezeichnungPartikelgröße
Sandvik FischadlerHastelloy X Atomisiertes Pulver15-45 μm
Zimmerer-ZusatzstoffHastelloy X MicroMelt Sphärisches Pulver10-45 μm
AP&CHastelloy X45 AM-PulverD10 45 μm
Amerika machtHastelloy X Gasverdüstes PulverD50 17 μm
Metall-PulverKundenspezifische Hastelloy X-Legierungen10-53 μm
Atlantic AusrüstungHastelloy X 3D-Druck-Pulver22-71 μm

Kosten für Hastelloy X-Pulver

Als Nischen-Superlegierungspulver für Hochleistungsanwendungen sind die Preise für Hastelloy X-Pulver höher:

  • Die Materialkosten für Metallpulver betragen $500-$1000 pro kg.
  • Die Vorlaufzeiten für kundenspezifische Aufträge können zwischen 2 und 16 Wochen betragen.

Mechanische Prüfnormen

Zu den wichtigsten Prüfverfahren zur Bewertung der Eigenschaften von Hastelloy X-Werkstoffen und -Pulvern in Bezug auf Zugfestigkeit, Ermüdung, Bruchzähigkeit und Zeitstandfestigkeit gehören:

StandardTitelOrganisation
ASTM E8Zugprüfung von metallischen WerkstoffenASTM
ASTM E23KerbschlagbiegeversuchASTM
ISO 6892Zugfestigkeitsprüfung metallischer WerkstoffeISO
AMS 2633AWärmebehandlung von Hastelloy X-TeilenSAE

Nachbearbeitung von additiv gefertigten Hastelloy X-Teilen

Nach dem Druck müssen Hastelloy X-Teile die folgenden Nachbearbeitungsschritte durchlaufen, bevor sie in Betrieb genommen werden können:

Entfernen der Stütze

  • Die Opferstützen werden durch Drahterodieren oder, sofern zugänglich, durch chemisches Auflösen abgelöst.

Stressabbau

  • Um Eigenspannungen aus dem schichtweisen Aufbau zu beseitigen, erhitzen Sie vorsichtig unter Vakuum oder Inertgas für 1-2 Stunden auf 760-980°C.

Heiß-Isostatisches Pressen

  • Der gesamte Druck wird bei einer Temperatur von 1120 °C und einem Druck von 100 bis 200 MPa 3 bis 6 Stunden lang gehippt, um die inneren Hohlräume und die Mikroporosität zu schließen.

Wärmebehandlung

  • Das Lösungsglühen bei 1150-1210 °C gewährleistet ein gleichmäßiges Gefüge und die gewünschte Härte.

Oberflächenbearbeitung

  • Zusätzliche Oberflächenbehandlungen umfassen Schleifen, Fräsen, Polieren und Kugelstrahlen, um die erforderliche Oberflächenrauheit und -güte zu erreichen.

Qualitätsprüfung

  • Prüfung der Teile auf Einhaltung der Spezifikationen für Abmessungen, Materialintegrität, Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften gemäß den geltenden Normen. Führen Sie schichtweise Scans durch.

Einkaufsführer - Hastelloy X-Pulverbett-3D-Drucker

Bei der Arbeit mit reaktiven Legierungen wie Hastelloy X-Pulver ist der Drucker besonders wichtig:

Präzision - Strenge Prozesskontrollen für Maßhaltigkeit und Wiederholbarkeit bei der Herstellung

Inerte Atmosphäre - hochreines Schutzgas zur Vermeidung von Materialverunreinigungen

Automatisierung - Pulverhandlingsysteme zur Minimierung der Sauerstoffexposition

Qualitätssicherung - Inline-Überwachung, Rückkopplung von Schmelzepools und Mikrogefüge

Intelligente Software - spezielle Abtaststrategien, die sich an die thermische Entwicklung und Geometrie anpassen

Produktivität - schnellere Bauraten durch höhere Laserleistung und große Bauvolumen

Zu den führenden Modellen gehören:

  • 3D Systems DMP Fabrik 500
  • GE Additive Concept Laser Xline 2000R
  • EOS M 400-4 4-Laser-System
  • SLM-Lösungen der nächsten Generation
  • Renishaw RenAM 500 Quad Lasermaschine

Zukunftsaussichten für Hastelloy X und Metal AM

Die Anwendungsmöglichkeiten für Hastelloy X-Bauteile werden sich innerhalb bestehender Sektoren erweitern, da additive Verfahren neue Möglichkeiten in Verbindung mit zunehmender Wirtschaftlichkeit eröffnen:

  • Häufigere Anwendungen sind der direkte 3D-Druck von Raketenbrennkammern, Teilen von kommerziellen Düsentriebwerken, Heißteilen von Industriegasturbinen und Hardware für die Energieerzeugung, da diese Vorteile in Bezug auf Geometrie, Kühlung und Gewicht aufweisen.
  • Zusätzliche chemische Ausrüstungen wie Wärmetauschereinbauten und Prozesstanks mit konformen Kanälen, die als ein Körper gedruckt werden, anstatt geschweißte Blechbaugruppen.
  • Konsolidierung von Modulbaugruppen und traditionell gelöteten Verbindungen für Luftfahrt- und Halbleiterproduktionsanlagen, die anfällig für Vakuum und hochreine korrosive Atmosphären sind.
  • Maßgeschneiderte, einheitliche Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und Kühlplatten, die auf spezifische thermische Umgebungen in Flüssigkeitsantriebssystemen und Turbinen zugeschnitten sind.
  • Verstärkte Einführung von patientenangepassten Implantaten wie Zahnbrücken und -kronen, die die Vorteile der Biokompatibilität nutzen.

Die Zukunft der Metall-AM selbst ist sehr positiv, da sie erschwinglicher wird und sich die Herstellungsraten und Durchlaufzeiten verkürzen. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie in der Fertigung werden immer größer.

FAQs

F: Wofür ist Hastelloy X hinsichtlich seiner Legierungseigenschaften am bekanntesten?

A: Hastelloy X ist bekannt für seine hohe Festigkeit bei extremen Temperaturen von bis zu 1150°C und seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, die es ihm ermöglicht, heißen oxidierenden und reduzierenden Atmosphären in anspruchsvollen Umgebungen standzuhalten.

F: In welchen Branchen werden Hastelloy X und verwandte Superlegierungen am häufigsten verwendet?

A: Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist der Hauptabnehmer von Hastelloy X, da sie seine Hitzebeständigkeit - über 50% - nutzt. An zweiter Stelle steht die chemische Verarbeitung, die sich auf die Korrosionsbeständigkeit stützt, gefolgt von der Metallverarbeitung und Anwendungen im Bereich Umweltschutz.

F: Was macht Hastelloy X besser als andere Ni-Basis-Superlegierungen für extreme Umgebungen?

A: Gezielte Zusätze von Eisen, Kobalt und Molybdän verleihen Hastelloy X die höchste Festigkeit unter den Nickellegierungen bis zu 1150°C. Andere Ni-Superlegierungen erreichen entweder nicht diese Höchsttemperatur oder werden in der Dauer der Bruchfestigkeit übertroffen.

F: Wie hoch sind die typischen Kosten pro kg Hastelloy X-Pulver, das für AM-Pulverbettverfahren geeignet ist?

A: Da Hastelloy X ein Spezialpulver ist, das auf anspruchsvolle Anwendungen zugeschnitten ist, liegt der Preis normalerweise zwischen $500 und $1000 pro kg. Das entspricht dem 5-10fachen der Kosten für rostfreien Stahl zum Beispiel. Bei geringeren Bestellmengen gibt es einen weiteren Aufschlag.

F: Welches 3D-Druckverfahren eignet sich besser für Hastelloy X - DMLS oder EBM?

A: Sowohl LPBF als auch EBM können völlig dichte Hastelloy X-Bauteile drucken. Laserbasierte Verfahren können eine bessere Oberflächengüte und Maßgenauigkeit bis hinunter zu ~50 Mikrometer bieten. Aber die schnellere Aufbaurate von EBM macht es zu einem bevorzugten Verfahren für Anwendungen in der Massenproduktion.

F: Welche Wärmebehandlung wird für Hastelloy X-Teile nach der Metall-AM-Konstruktion verwendet?

A: Der typische Wärmebehandlungszyklus umfasst eine 1 bis 2-stündige Wärmebehandlung bei 1150°C bis 1210°C nach einem ersten Spannungsabbau bei 1080°C. Dadurch werden die Elemente in der Matrix homogenisiert und das gewünschte Phasengleichgewicht und die gewünschten Eigenschaften erzielt.

F: Ist Hastelloy X härter oder leichter zu bearbeiten als die Standard-Edelstahlsorten 304 oder 316?

A: Hastelloy X hat aufgrund seiner höheren Festigkeit und Kaltverfestigung eine um fast 50% niedrigere Zerspanbarkeit als die üblichen nichtrostenden Stähle der Serie 300. Strengere Einstellungen und geeignete Werkzeuge sind erforderlich.

F: Kann man die Superlegierung Hastelloy X mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren schweißen?

A: Ja, Hastelloy X lässt sich aufgrund des geringen Kohlenstoffgehalts und des Fehlens von verfestigenden Ausscheidungen entlang der Korngrenzen, die spröde intermetallische Phasen bilden können, hervorragend mit dem Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW), Plasma- oder Laserstrahlverfahren schweißen. Verwenden Sie die passende Schweißzusatzlegierung.

F: Welche Industriezweige werden in Zukunft den Einsatz von Metall-AM unter Verwendung von Legierungen wie Hastelloy X vorantreiben?

A: In der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Energiewirtschaft gibt es einige der hochwertigsten Anwendungen für gedruckte Metallteile aus Legierungen, die Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit in sich vereinen, wobei Leichtbaukonstruktionen erhebliche Vorteile mit sich bringen.

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