Impresión 3D Inconel

Inconel es una familia de superaleaciones a base de níquel-cromo conocidas por su resistencia al calor, la corrosión y la presión. La impresión 3D de Inconel ofrece una mayor libertad de diseño y propiedades mecánicas en comparación con los métodos de fabricación convencionales para sectores como el aeroespacial, el energético y el de la automoción.

Visión general impresión 3d inconel

Las superaleaciones de Inconel son materiales de níquel-cromo reforzados mediante adiciones de hierro, niobio, molibdeno y otros elementos. Su notable resistencia a la temperatura, la corrosión y la fatiga hacen que el Inconel sea adecuado para aplicaciones exigentes.

La impresión 3D mediante técnicas de fusión de lecho de polvo ofrece un nuevo potencial para fabricar piezas complejas de Inconel con granos más finos y una resistencia superior en comparación con los métodos tradicionales. Entre las principales ventajas se incluyen:

• Fabricación de geometrías complejas y ligeras
• Comportamiento mejorado a la tracción y a la fatiga
• Mayor precisión y flexibilidad de diseño
• Plazos de entrega más cortos y menores volúmenes
• Capacidad para crear estructuras reticulares optimizadas
• Combinación de materiales distintos en una sola pieza

A pesar de las ventajas, para obtener componentes de Inconel impresos con calidad es necesario abordar retos como la tensión residual, los riesgos de porosidad y el postprocesado.

En general, la fabricación aditiva permite aplicaciones innovadoras de Inconel en intercambiadores de calor, equipos de combustión, componentes aeroespaciales, implantes biomédicos y otros nichos que requieren una durabilidad extrema en entornos extremos.

Composición impresión 3d inconel

Inconel es una amplia marca de superaleaciones que hace referencia a más de dos docenas de materiales a base de níquel endurecido por precipitación diseñados para aplicaciones exigentes de calor, corrosión y presión.

Su alto contenido en níquel forma una estructura cristalina austenítica FCC que proporciona un refuerzo en solución sólida. Elementos añadidos como el cromo, el hierro, el niobio, el molibdeno, el aluminio y el titanio facilitan el endurecimiento por precipitación para mejorar el rendimiento mecánico.

Rangos de composición típicos:

Algunos grados de Inconel tienen gamas de aleación más estrictas para aplicaciones específicas. Por ejemplo:

Inconel 625

• 58% Ni
• 20-23% Cr
• 8-10% Mo
• 3-4% Nb
• 0-5% Fe

Inconel 718

• 50-55% Ni
• 17-21% Cr
• 4,75-5,5% Nb
• 2,8-3,3% Mo
• 0-1% Al

Efectos de los principales elementos de aleación:

• Níquel - Elemento dominante que proporciona resistencia a la corrosión y ductilidad
• Cromo - Resistencia a la oxidación y dureza mediante la formación de óxidos de Cr
• Niobio - El formador de carburo es crucial para reforzar la precipitación
• Molibdeno - Reforzador de la solución sólida
• Hierro - Contribuye al endurecimiento de la solución sólida
• Aluminio + Titanio - Forman precipitados gamma prime para reforzar drásticamente las aleaciones.

impresión 3d inconel Propiedades

Los materiales Inconel ofrecen una combinación excepcional de resistencia al calor, resistencia a la corrosión, alta resistencia y excelente vida a la fatiga, muy superior a la de los aceros inoxidables estándar. Esto los hace adecuados para exigencias extremas a pesar de su mayor coste.

Propiedades físicas

• Densidad - Oscila entre 7,9-8,5 g/cm3
• Punto de fusión - 1300-1450°C dependiendo de la composición exacta
• Resistividad eléctrica - Rango de 70-94 μΩ-cm
• Conductividad térmica - Más débil a 10-20 W/m-K
• Coeficiente de dilatación térmica - Alrededor de 13-16 (μm/m)/°C

Propiedades mecánicas

• Resistencia a la tracción - 500-1500 MPa
• Límite elástico - 240-1200 MPa
• Alargamiento – 10-55%
• Dureza - Rockwell B 80-150
• Módulo de elasticidad - 150-210 GPa
• Resistencia a la fractura - 100-300 MPa-m^1/2^

Límites de rendimiento

• Temperatura máxima de servicio - 650-1100°C
• Resistencia a la oxidación - Hasta 900-1100°C en aire
• Resistencia a la corrosión acuosa - Amplia gama de soportes
• Resistencia a la sulfuración - Continuo 500-900°C

Resistencia a la fatiga

Una de las principales ventajas del Inconel es su excelente comportamiento a la fatiga, que se mantiene incluso bajo ciclos de tensión térmica y mecánica. Por ejemplo, el Inconel 718 ofrece una impresionante vida de rotura de más de 100.000 horas a temperaturas cercanas a los 700 °C.

Métodos de fabricación aditiva

El Inconel puede imprimirse en 3D mediante técnicas de fusión de lecho de polvo en las que un láser o un haz de electrones fusiona capas sucesivas de polvo metálico basándose en secciones de modelos digitales. Esto permite geometrías complejas de Inconel inalcanzables mediante métodos sustractivos.

Las dos tecnologías predominantes son:

Fusión de lecho de polvo láser (L-PBF)

También conocido como sinterizado directo de metal por láser (DMLS), en el que un láser de alta potencia explora los lechos de polvo para fundir selectivamente las zonas que coinciden con la sección transversal de la pieza, uniendo las partículas tras una rápida solidificación.

Fusión por haz de electrones en lecho de polvo (E-PBF)

Un haz de electrones proporciona la fuente de energía de alta densidad para fusionar capas de polvo basadas en la geometría del modelo CAD. El entorno de fabricación es en vacío, lo que elimina los problemas de dispersión del haz.

El L-PBF es más accesible y rápido, mientras que el E-PBF puede procesar mejor materiales muy reflectantes, como aleaciones de aluminio o cobre. Ambos métodos permiten mezclar aleaciones en un mismo componente impreso.

Consideraciones sobre el proceso

Entre los retos específicos de la AM de Inconel se encuentran las altas tensiones térmicas que provocan grietas y distorsiones, las tensiones residuales intrínsecas que limitan las geometrías, la rugosidad de la impresión que requiere acabado, la complejidad del desarrollo de parámetros en comparación con los aceros y la falta de datos de diseño.

Para lograr el rendimiento mecánico deseado es necesario optimizar cuidadosamente la estrategia de escaneado, la temperatura, la potencia del haz, el espaciado entre escotillas, las características del polvo, la gestión térmica y el postprocesado.

impresión 3d inconel Calificaciones imprimibles

Las variantes de Inconel forjado impresas más comunes son Inconel 625 e Inconel 718, que representan más de 75% de uso, seguidas de Inconel 800, Inconel 686 y grados especiales para aplicaciones nicho.

Inconel 625

Esta aleación de níquel, cromo y molibdeno ofrece una gran resistencia a la soldadura fuerte y a la corrosión, incluso a temperaturas extremas de hasta 980°C. Se utiliza en recipientes de combustión, válvulas de motores, intercambiadores de calor y equipos de procesamiento químico.

Inconel 718

Acero al níquel de calidad aeroespacial con un límite elástico excepcional de hasta 1.200 MPa y capacidad para conservar sus propiedades en condiciones de uso prolongado a 650 °C. Su alta resistencia, tenacidad y resistencia a la fatiga lo convierten en la superaleación de referencia para equipos de vuelo, como álabes y discos de turbina.

Inconel 800

Aleación de hierro, níquel y cromo que ofrece una resistencia excepcional a la carburación y a los entornos de oxidación de hasta 1150°C. Se utiliza en tubos de sobrecalentadores, equipos de tratamiento térmico, calentadores a fuego, etc.

Inconel 686

Una modificación del Inconel 625 diseñada para mejorar el comportamiento frente a la corrosión intergranular y las picaduras mediante la adición de tungsteno y molibdeno. Se utiliza en sistemas de desulfuración de gases de combustión y generadores de vapor nucleares.

Grados personalizados

La I+D para aplicaciones de alto valor mezcla Inconel con carburos, aleaciones de alta entropía u otras partículas para aumentar aún más propiedades como la resistencia a la fluencia, la fatiga, la abrasión o la corrosión.

impresión 3d inconel Rendimiento mecánico

En general, el Inconel fabricado aditivamente muestra un mejor comportamiento a la tracción y a la fatiga que sus homólogos fundidos o forjados.

Por ejemplo, el Inconel 718 impreso en 3D presenta un límite elástico y una resistencia a la tracción superiores en más de 30% a los del material procesado de forma convencional, al tiempo que conserva una ductilidad apreciable por encima del alargamiento de 10%.

Propiedades mecánicas típicas de los grados de Inconel impresos más comunes

El aumento de la resistencia se debe a un importante refinamiento del grano, que se reduce a 5-10 micras en el caso del Inconel impreso (en lugar del tamaño de grano medio ASTM >50 micras en el caso del forjado). Este refuerzo Hall-Petch combinado con algunas fases intermetálicas retenidas explica las capacidades mecánicas mejoradas.

Las microestructuras de tipo solidificado direccionalmente y las texturas adaptadas a las condiciones de carga previstas pueden aumentar aún más el rendimiento. Por otro lado, defectos como la porosidad o la formación de grietas debido a parámetros de impresión inadecuados afectan negativamente a las propiedades.

impresión 3d inconel Aplicaciones

La impresión 3D amplía el uso de Inconel a aplicaciones de rendimiento más crítico que requieren formas complejas, plazos de entrega rápidos o aleaciones personalizadas, al tiempo que complementa las técnicas sustractivas convencionales para componentes más sencillos que no superan los límites del material.

Aeroespacial

Las piezas de propulsión de cohetes, los álabes de turbina, las toberas de combustible y los revestimientos de combustión fabricados de forma aditiva superan a las superaleaciones procesadas tradicionalmente bajo flujos de calor y presiones extremas. También se obtienen canales de refrigeración optimizados y conjuntos consolidados más ligeros.

Petróleo y gas

El hardware de los cabezales de pozos, las herramientas de fondo de pozo, las brocas y las carcasas se benefician de la mayor resistencia al desgaste y a la corrosión de los componentes de Inconel impresos y solidificados direccionalmente con geometrías e integración de sensores incorporados difíciles de fabricar de otro modo.

Generación de energía

Los tubos de los intercambiadores de calor, los serpentines de los sobrecalentadores y los componentes de la sección caliente de las turbinas de gas tienen una vida útil entre 2 y 4 veces superior gracias a las composiciones de Inconel adaptadas y a los intrincados canales conformados que refrigeran las zonas críticas.

Automoción

La mezcla de distintos grados de Inconel permite que las culatas individuales que integran la funcionalidad del colector de escape soporten temperaturas superiores a 850 °C sin fundirse ni agrietarse, al tiempo que se optimizan los flujos de refrigerante.

Nuevas aplicaciones

Los implantes médicos y dentales personalizados, los reactores microfluídicos y los disipadores térmicos, los electrodos para electrólisis y las funciones aeroespaciales especializadas aprovechan especialmente la flexibilidad de Inconel AM.

Proveedores mundiales y precios

Una serie de fabricantes por contrato, impresores de metal, oficinas de impresión, proveedores de polvo, empresas de software y empresas de acabado de piezas respaldan la producción de componentes de Inconel impresos en todo el mundo. Los precios varían en función de factores como el volumen del pedido, los requisitos de tolerancia, el plazo de entrega y las necesidades de calidad.

Coste estimado de las piezas:

Las piezas impresas de Inconel van desde $50-500 por pulgada cúbica en función de la complejidad, los índices de uso de consumibles, las dificultades de procesamiento en relación con aleaciones convencionales como aceros o titanio, y la calidad de acabado requerida. Los compromisos de gran volumen mejoran significativamente las economías de escala.

Normas y especificaciones

El desarrollo de parámetros de impresión guiado por las normas existentes de procesamiento de Inconel forjado ayuda a igualar la composición y las expectativas mecánicas básicas:

Sin embargo, las normas específicas de AM que cubren el diseño, la cualificación, los ensayos, la certificación, la manipulación del polvo y otras consideraciones para el Inconel impreso siguen evolucionando:

• ASTM F3055 - Especificación estándar para la fabricación aditiva de aleación de níquel (UNS N06625) con fusión en lecho de polvo.
• ASTM F3056 - Especificación estándar para la fabricación aditiva de aleación de níquel (UNS N07718) con fusión en lecho de polvo.
• ASME BPVC Sección IX - Cualificaciones de soldadura, soldadura fuerte y fusión
• AWS D20.1 - Fabricación de componentes metálicos mediante fabricación aditiva

El uso de calidades forjadas establecidas como materia prima y el control de la variabilidad del proceso de impresión con respecto a estas especificaciones garantizan unas propiedades de Inconel impresas uniformes.

Ventajas e inconvenientes de la fabricación aditiva de Inconel

En general, el equilibrio entre las capacidades de la impresora y los requisitos y costes de la aplicación determina las rutas óptimas para la fabricación de componentes de Inconel.

PREGUNTAS FRECUENTES

P: ¿Cuáles son las mejores prácticas para mejorar la calidad de las piezas de Inconel impresas en 3D?

R: La optimización de parámetros, la gestión del polvo, las variaciones en la estrategia de escaneado, los ciclos térmicos a medida, los tratamientos térmicos y HIP, el acabado de superficies, los escaneados CT y las pruebas de validación mecánica exhaustivas ayudan a superar los retos del proceso aditivo, garantizando una integridad fiable del Inconel impreso a lo largo de todo su ciclo de vida operativo.

P: ¿Qué proceso de impresión produce mejores piezas de Inconel: la fusión de lecho de polvo por láser o por haz de electrones?

R: Ambos métodos permiten fabricar componentes de Inconel de densidad completa, pero el láser se encarga mejor del acabado superficial, mientras que el haz de electrones permite fabricar características de mayor relación de aspecto, aunque a menor velocidad. El rendimiento también depende de las capacidades específicas del equipo, como la potencia del haz, el tamaño del punto, la trayectoria de trama, el tamaño de la cámara y la precisión.

P: ¿Cómo se compara la vida útil a la fatiga del Inconel impreso con la de los componentes fabricados tradicionalmente?

R: En condiciones de fatiga de ciclo alto, el Inconel fabricado aditivamente suele igualar o superar a las aleaciones de fundición y forja. Por ejemplo, la vida útil de Inconel 718 es entre 6 y 8 veces superior a la de la fundición. Pero bajo fatiga termomecánica compleja, los defectos controlan el fallo permitiendo vidas más cortas o más largas dependiendo del nivel de optimización relativo a otros procesos.

P: ¿Se pueden imprimir en 3D aleaciones de Inconel personalizadas más allá de los grados comunes como 625 y 718?

R: Sí, I+D desarrolla a menudo mezclas de polvos especiales que aumentan propiedades como la rigidez, la resistencia, la ductilidad, el rendimiento frente al desgaste, el comportamiento a altas temperaturas y la resistencia a la corrosión mediante adiciones controladas de elementos como el tungsteno, el tántalo, el cobalto, el aluminio, el carbono y otros dentro de los parámetros de la familia Inconel.

P: ¿Qué desarrollos harán crecer aún más el uso de componentes de Inconel fabricados de forma aditiva?

R: Los equipos más rápidos reducen los costes de producción, la fabricación híbrida que combina la AM con técnicas sustractivas en un solo sistema, la supervisión avanzada durante el proceso y el control de bucle cerrado para minimizar los defectos, las opciones de aleación ampliadas, los datos de diseño más completos y las rigurosas normas de cualificación dirigidas específicamente al Inconel impreso ampliarán la adopción.

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