Impression 3D de l'Inconel 718

Vue d'ensemble

L'Inconel 718 est un superalliage nickel-chrome à haute résistance largement utilisé pour des applications à températures extrêmes telles que les composants de turbines à gaz, les moteurs de fusées et les réacteurs nucléaires. La combinaison d'excellentes propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion et d'usinabilité fait de l'Inconel 718 un matériau polyvalent pour des industries telles que l'aérospatiale, le pétrole et le gaz, la production d'énergie et l'automobile.

Ces dernières années, la fabrication additive (AM) de l'Inconel 718 s'est imposée comme une méthode de production transformatrice pour fabriquer des pièces métalliques complexes et performantes. Également connue sous le nom d'impression 3D, la fabrication additive construit des composants couche par couche directement à partir d'un modèle 3D, sans les contraintes de l'usinage ou du moulage traditionnels.

Ce guide fournit un aperçu approfondi des éléments suivants Impression 3D de l'Inconel 718Ce document présente les propriétés de l'alliage, les types de processus d'AM les plus courants, les paramètres, les microstructures, le comportement mécanique, le post-traitement, les applications et les fournisseurs. Il vise à aider les ingénieurs, les concepteurs et les responsables de programmes techniques à mettre en œuvre l'impression 3D de l'Inconel 718 et à qualifier les pièces imprimées pour une utilisation en production.

Aperçu de l'alliage Inconel 718

L'Inconel 718 est un alliage de nickel-chrome durci par précipitation qui contient d'importants éléments d'alliage tels que le niobium, le molybdène, l'aluminium et le titane.

Composition de l'Inconel 718

Élément	Poids %	Objectif
Nickel	50-55%	Résistance à la corrosion, ductilité
Chrome	17-21%	Résistance à l'oxydation
Le fer	Équilibre	Rapport coût-efficacité
Niobium	4.75-5.5%	Renforcement des précipitations
Molybdène	2.8-3.3%	Renforcement de la solution solide

Le nickel et le chrome assurent la résistance à la corrosion et la stabilité à haute température. Les éléments durcisseurs comme le niobium et le molybdène confèrent une résistance supérieure grâce à des mécanismes de renforcement par précipitation et par solution solide.

Propriétés de l'Inconel 718

• Excellente résistance jusqu'à 700°C
• Grande résistance aux chocs et à la fatigue
• Bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion
• Résistance élevée à la rupture par fluage
• Facile à former et à souder avec des techniques standard
• Densité de 8,19 g/cm3

Cette combinaison de propriétés permet à l'Inconel 718 d'être utilisé dans des environnements extrêmes qui dépassent les capacités des aciers et des alliages d'aluminium.

Impression 3D de l'Inconel 718 Processus

Plusieurs procédés de fabrication additive ont fait leurs preuves avec l'Inconel 718 et sont de plus en plus adoptés pour les applications de production :

Procédés AM populaires pour l'Inconel 718

Processus	Description	Densité	Microstructure	Propriétés mécaniques
Fusion laser sur lit de poudre (L-PBF)	Le laser fait fondre les couches de poudre	99.5%+	Grains colonnaires, un peu de porosité	Résistance à la traction dans la gamme des produits corroyés
Fusion en lit de poudre par faisceau d'électrons (E-PBF)	Le faisceau d'électrons fait fondre la poudre	99.5%+	Grains colonnaires, un peu de porosité	Résistance à la traction dans la gamme des produits corroyés
Dépôt d'énergie dirigée (DED)	Une source de chaleur concentrée fait fondre la poudre ou le fil d'alimentation	99%	Grains épitaxiés, un peu de porosité	Variable en fonction des paramètres du processus
Jetting de liant	Un liant liquide relie sélectivement les particules de poudre	60%+	Poreux, nécessite une infiltration	Faible tel qu'imprimé, s'améliore avec l'infiltration

Les L-PBF et E-PBF peuvent atteindre des densités supérieures à 99,5% avec des propriétés proches de l'Inconel 718 corroyé. Le DED et la projection de liant nécessitent un post-traitement pour atteindre la densité maximale.

Chaque processus nécessite l'optimisation des paramètres d'impression pour obtenir la microstructure et les propriétés souhaitées.

Paramètres d'impression 3D de l'Inconel 718

Les paramètres d'impression influencent considérablement la microstructure, les défauts et les performances mécaniques des pièces imprimées en Inconel 718.

Principaux paramètres d'impression de l'Inconel 718

Paramètres	Gamme typique	Impact
Épaisseur de la couche	20-100 μm	Densité, finition de la surface
Puissance du laser/du faisceau	100-500 W	Taille du bassin de fusion, taux de chauffage
Vitesse de balayage	100-1000 mm/s	Taux de refroidissement, solidification
Espacement des trappes	50-200 μm	Collage entre les écoutilles
Mise au point du faisceau	30-100 μm	Largeur et profondeur du bassin de fusion
Taille de la poudre	10-45 μm	Fluidité de la poudre, finition de la surface

Des couches plus fines et des trappes plus étroites améliorent la densité et le collage, mais réduisent les vitesses de fabrication. Un balayage plus rapide permet d'obtenir des grains plus fins, mais peut provoquer des fissures à chaud. Les poudres de petite taille améliorent l'état de surface.

L'optimisation minutieuse des paramètres permet d'adapter la résistance de la structure du grain, la ductilité, la qualité de la surface et la productivité de l'impression.

Microstructures de l'Inconel 718 imprimées en 3D

L'Inconel 718 présente diverses microstructures lorsqu'il est imprimé à l'aide de procédés AM :

Caractéristiques microstructurales de l'Inconel 718 imprimé

• Grains colonnaires parallèles à la direction de construction
• Grains épitaxiés correspondant à l'orientation de la plaque de base
• Largeur de grain typique de 100-400 μm
• Ségrégation de la solidification entre les noyaux de dendrites et les régions interdendritiques
• Manque de texture par rapport à un produit forgé
• Précipitation de phases de renforcement comme γ" et γ'
• Porosité et microfissures dues à une fusion incomplète

La morphologie des grains suit le flux de chaleur et les modèles de solidification pendant l'impression. La ségrégation entraîne des variations chimiques qui peuvent provoquer des fissures. Un traitement minutieux est nécessaire pour obtenir une microstructure uniforme et contrôlée.

Les traitements thermiques dissolvent les phases défavorables et favorisent les précipités durcissants comme le Ni3Nb gamma-double-prime pour une résistance optimale.

Propriétés de l'Inconel 718 imprimé

Le traitement par AM permet d'obtenir des propriétés mécaniques comparables à celles de l'Inconel 718 corroyé, moyennant une optimisation adéquate :

Propriétés mécaniques de l'Inconel 718

Propriété	Tel qu'imprimé	Moulin forgé - recuit
Résistance à la traction	1000-1300 MPa	1000-1200 MPa
Limite d'élasticité	500-1100 MPa	500-900 MPa
Élongation	10-35%	20-35%
Résistance à la fatigue	100-600 MPa	300-500 MPa
Dureté	25-50 HRC	25-35 HRC

La résistance atteint ou dépasse les niveaux de corroyage, bien que les propriétés d'allongement et de fatigue restent plus faibles et plus variables.

L'anisotropie de la traction est observée entre les orientations verticales et horizontales de la construction. Les propriétés sont fortement influencées par les paramètres spécifiques du processus AM utilisés.

Post-traitement de l'Inconel 718 imprimé

Des processus de post-impression sont souvent nécessaires pour améliorer la finition de la surface, la précision des dimensions et les propriétés des matériaux :

Méthodes courantes de post-traitement

• Traitement thermique - Développe une microstructure optimale et un durcissement par précipitation
• Pressage isostatique à chaud - Comble les vides et les porosités internes
• Usinage de surfaces - Réduction de la rugosité de la surface pour les finitions critiques
• Grenaillage de précontrainte - Induit des contraintes de compression pour améliorer la durée de vie en fatigue
• Revêtements - Fournir une résistance à l'usure ou à la corrosion en cas de besoin

La trempe par vieillissement de l'Inconel 718 est couramment utilisée, bien que certains modifient le traitement thermique en fonction des microstructures AM. L'usinage, le meulage ou le polissage sont utilisés lorsque les exigences en matière d'état de surface sont strictes.

Applications de l'Inconel 718 imprimé

Impression 3D de l'Inconel 718 est bien adapté :

• Aérospatiale - Composants de turbines, tuyères de fusées, assemblages de moteurs
• Production d'électricité - Pièces de la section chaude des turbines à gaz, gaine de combustible nucléaire
• Automobile - Roues et carters de turbocompresseurs
• Pétrochimie - Outils de fond de puits, vannes, pompes
• L'espace - Composants de satellites et de rampes de lancement
• Médecine - Implants dentaires, instruments chirurgicaux

Avantages par rapport aux méthodes conventionnelles :

• Liberté de conception pour les géométries complexes
• Réduction du poids grâce aux treillis et à l'optimisation de la topologie
• Consolidation des pièces, réduction de l'assemblage
• Des délais plus courts pour la production à la demande
• Formes personnalisées, inventaires numériques

Les limites sont notamment les coûts du processus pour les faibles volumes de production et les problèmes de certification dans les industries réglementées.

Fournisseurs d'Inconel 718 imprimé

De nombreux fabricants proposent des services d'impression 3D d'Inconel 718 dans le monde entier :

Sélectionner les prestataires de services

Entreprise	Processus AM	Matériel supplémentaire	Capacité de production
GE Additive	DED, injection de liant	Alliages de titane, aciers, superalliages	Grands volumes
Matérialiser	Laser PBF	Titane, aluminium, aciers	Volumes moyens
Systèmes 3D	Laser PBF, jet de liant	Titane, acier inoxydable, CoCr, AlSi10Mg	Prototypage jusqu'aux volumes moyens
Equisphères	Laser PBF	Titane, acier, aluminium	Petits volumes
Additif pour charpentier	Laser PBF, E-PBF	Titane, acier inoxydable, aciers à outils	Volumes moyens

L'impression de l'Inconel 718 est proposée à la fois par les grands équipementiers et par les bureaux de services AM spécialisés. Nombre d'entre eux proposent des opérations de finition secondaire.

Le coût des pièces varie de $100 à 500/lb selon la taille de la commande, les exigences de qualité et la méthode de traitement utilisée.

Pièces imprimées qualifiées en Inconel 718

Des protocoles de qualification rigoureux s'appliquent à l'aérospatiale et à d'autres applications réglementées :

• Essais mécaniques sur une gamme d'orientations d'impression
• Analyse chimique pour vérifier la conformité de la composition
• Évaluation non destructive (END) pour la détection des défauts
• Évaluation des performances à long terme par traitement thermique, pressage isostatique à chaud et essais d'usinage
• Évaluation de la reproductibilité des processus
• Documentation de l'optimisation des paramètres, des microstructures, de la prévention des défauts

Des objets d'essai tels que des barres de traction, des échantillons de fatigue et des coupons de matériau optimisent la caractérisation des propriétés imprimées.

Le respect des spécifications industrielles applicables favorise la certification et l'approbation de la production.

FAQ

Quelle est la taille de particule recommandée pour l'impression de l'Inconel 718 ?

La poudre de 10 à 45 microns est typique, la poudre plus fine de ~15 microns améliorant la densité et l'état de surface mais compromettant le débit et la récupération.

Quelles sont les causes de la porosité lors de l'impression de l'Inconel 718 ?

Une fusion insuffisante, un manque de fusion entre les couches et l'emprisonnement de gaz provoquent des vides. L'optimisation de l'apport d'énergie, des schémas de balayage, de l'épaisseur des couches et du flux de gaz réduit la porosité.

Quel post-traitement améliore la résistance à la fatigue de l'Inconel 718 imprimé ?

Le grenaillage de précontrainte induit des contraintes de compression bénéfiques qui inhibent l'apparition et la croissance des fissures. Le HIP et l'usinage contribuent également à fermer les pores de la surface.

Comment l'Inconel 718 imprimé se compare-t-il à l'Inconel 718 moulé et forgé ?

L'AM se rapproche des propriétés mécaniques des matériaux coulés et forgés, mais avec une microstructure plus fine et plus ségrégée. Le traitement thermique permet d'obtenir un renforcement par précipitation comparable à celui d'un produit corroyé.

Quelles sont les alternatives à l'Inconel 718 pour l'impression 3D ?

Le cobalt-chrome, les superalliages de nickel tels que les 625 et 686, et les aciers inoxydables à durcissement par précipitation offrent des propriétés similaires à haute température. Les alliages de titane excellent là où une faible densité est essentielle.

Pouvez-vous imprimer en 3D une pièce bimétallique en Inconel 718 et en acier inoxydable ?

Oui, le dépôt d'énergie dirigée est capable d'assurer la transition entre des alliages dissemblables par un changement précis de poudre ou de fil pour construire des composants multi-matériaux.

Conclusion

En résumé, l'impression 3D de l'Inconel 718 offre une liberté de conception exceptionnelle et permet d'améliorer les performances de ce superalliage à haute résistance. Il est essentiel de faire correspondre les exigences des pièces aux capacités du processus et d'optimiser les paramètres d'impression pour exploiter les avantages par rapport aux méthodes conventionnelles. Les progrès constants en matière de qualité, de propriétés, de structures multi-matériaux et de coûts continuent d'élargir l'adoption de l'AM Inconel 718 dans les applications industrielles exigeantes.

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