Poudre d'acier inoxydable 316L pour l'impression 3D de métaux
La poudre d'acier inoxydable 316L est un type de poudre d'acier inoxydable qui contient du molybdène et une faible teneur en carbone. Il s'agit d'un acier inoxydable austénitique au chrome-nickel qui présente une grande solidité et d'excellentes propriétés de résistance à la corrosion. La poudre 316L est largement utilisée pour les applications d'impression 3D ou de fabrication additive dans des secteurs tels que l'aérospatiale, le médical, l'automobile et la fabrication générale.
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Table des matières
Vue d'ensemble
La poudre d'acier inoxydable 316L est un type de poudre d'acier inoxydable qui contient du molybdène et une faible teneur en carbone. Il s'agit d'un acier inoxydable austénitique au chrome-nickel qui présente une grande solidité et d'excellentes propriétés de résistance à la corrosion. La poudre 316L est largement utilisée pour les applications d'impression 3D ou de fabrication additive dans des secteurs tels que l'aérospatiale, le médical, l'automobile et la fabrication générale.
Les principales propriétés et caractéristiques de la poudre 316L sont les suivantes :
Composition : Fer, chrome, nickel, molybdène, manganèse, silicium, carbone, phosphore, soufre
Forme des particules : Sphérique, grande fluidité
Taille des particules : 15-45 microns, tailles submicroniques disponibles
Densité : Environ 7,9 g/cc
Point de fusion : 1381-1400°C
Caractéristiques principales : Résistance à la corrosion, résistance à la chaleur, soudabilité, solidité, biocompatibilité
Noms commerciaux communs : 316L, 1.4404, 1.4435
La poudre 316L peut être utilisée pour imprimer des pièces solides et durables avec des géométries complexes en utilisant divers procédés d'impression 3D tels que le frittage sélectif par laser (SLS), le frittage direct par laser métallique (DMLS), la fusion par faisceau d'électrons (EBM), le jet de liant, etc.
Types de poudres 316L
Il existe plusieurs types principaux de poudres d'acier inoxydable 316L :
Poudre 316L atomisée au gaz
- Produit à l'aide d'un procédé d'atomisation sous gaz inerte
- Particules sphériques à surface lisse
- S'écoule facilement, s'emballe densément pour l'impression
- Bonne aptitude à l'épandage et au compactage
- Largement utilisé pour l'impression 3D par laser et par jet de liant
Poudre 316L atomisée à l'eau
- Fabriqué à l'aide de jets d'eau à haute pression
- Forme irrégulière des particules
- Surface poreuse, teneur élevée en oxygène
- Coût inférieur à celui de la poudre atomisée au gaz
- Utilisé principalement pour les applications de pressage et de frittage
Poudre 316L atomisée au plasma
- Fabriqué par atomisation au plasma
- Particules très sphériques
- Distribution contrôlée de la taille des particules
- Utilisé dans des applications critiques nécessitant une haute densité
- Coûteux par rapport à d'autres méthodes d'atomisation
Poudre 316L recyclée
- Poudre non utilisée récupérée lors de la fabrication en 3D
- Peut présenter des formes et des tailles de particules variées
- Nécessite un tamisage et un traitement supplémentaires
- Option moins coûteuse pour les applications non critiques
- Inquiétudes quant à la contamination par des constructions antérieures
316L Composition de la poudre
L'acier inoxydable 316L doit sa résistance à la corrosion au chrome et au molybdène alliés au fer. Voici la composition élémentaire de la poudre 316L :
| Élément | Gamme de composition |
|---|---|
| Fer (Fe) | Équilibre |
| Chrome (Cr) | 16-18% |
| Nickel (Ni) | 10-14% |
| Molybdène (Mo) | 2-3% |
| Manganèse (Mn) | ≤ 2% |
| Silicium (Si) | ≤ 1% |
| Carbone (C) | ≤ 0,03% |
| Phosphore (P) | ≤ 0,045% |
| Soufre (S) | ≤ 0,03% |
La faible teneur en carbone réduit la précipitation de carbure pendant le soudage et améliore la résistance à la corrosion. L'ajout de molybdène améliore la résistance à la corrosion par piqûres et par crevasses dans les environnements chlorés.
La composition est conforme aux normes nationales et internationales telles que UNS S31603, W.Nr 1.4404, AISI 316L et ISO 5832-1. Des alliages sur mesure sont également possibles pour répondre à des besoins spécifiques.
Propriétés et caractéristiques principales
La poudre 316L possède une combinaison unique de propriétés exceptionnelles qui la rend adaptée à diverses applications critiques et de haute performance dans toutes les industries.
Résistance à la corrosion Excellente résistance à la corrosion par piqûres, à la corrosion caverneuse et à la corrosion fissurante sous contrainte dans les acides, les alcalis, les sels et les produits chimiques organiques.
Propriétés mécaniques Résistance élevée à la traction et à l'élasticité, associée à une bonne ductilité et à une bonne résistance aux chocs.
Résistance à la chaleur Peut supporter un service continu jusqu'à ~900°C et une exposition intermittente au-delà pour certaines applications.
Soudabilité Facilement soudable et moins susceptible de se sensibiliser pendant le soudage que les grades non stabilisés.
Bio-compatibilité Non toxique et hautement biocompatible pour une utilisation dans les implants et les dispositifs médicaux.
Voici un tableau comparant les principales propriétés des poudres 316 et 316L :
| Propriété | 316 Poudre | 316L Poudre |
|---|---|---|
| Densité (g/cc) | 7.9 | 7.9 |
| Point de fusion (°C) | 1375-1400 | 1381-1400 |
| Résistance ultime à la traction (MPa) | ≥ 515 | ≥ 485 |
| Limite d'élasticité (MPa) | ≥ 170 | ≥ 170 |
| Élongation (%) | ≥ 40 | ≥ 35 |
| Module d'élasticité (GPa) | 193 | 193 |
| Conductivité thermique (W/m-K) | 16.2 | 16.2 |
| Dilatation thermique (μm/m-°C) | 15-16.5 | 15-16.5 |
| Résistance à la corrosion | Très bon | Excellent |
| Indice d'équivalence de résistance à la piqûre (PREN) | 24-26 | 25-27 |
| Perméabilité magnétique | Non-magnétique | Non-magnétique |
| Bio-compatibilité | Bon | Excellent |
La résistance supérieure à la corrosion de la poudre de 316L peut être attribuée à la teneur plus élevée en PREN et à la teneur plus faible en carbone par rapport à la poudre de 316. Le 316L offre également une meilleure biocompatibilité et est utilisé de préférence pour les implants permanents dans le corps humain.
Applications de la poudre 316L
Parmi les applications courantes où la poudre 316L est largement utilisée, on peut citer
Fabrication additive Impression SLS/DMLS/EBM de pièces métalliques à usage final dans les domaines de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile, de l'outillage, etc.
Implants biomédicaux Fabrication d'implants tels que les prothèses de genou et de hanche, les tiges vertébrales, les fixations dentaires, etc.
Équipement de transformation des aliments Vannes, raccords, fixations, pièces de machines pour les industries alimentaires et pharmaceutiques
Industrie chimique
Roues de pompe, corps de pompe, corps de vanne et autres composants en contact avec le liquide
Applications marines
Arbres, raccords, accouplements, brides, hélices utilisés en milieu marin
Le 316L offre des performances exceptionnelles dans ce large éventail d'applications grâce à sa résistance exceptionnelle à la corrosion associée à une grande solidité.
Voici des exemples de pièces en 316L imprimées par fabrication additive :
| L'industrie | Pièces AM typiques |
|---|---|
| Aérospatiale | Aubes de turbines, supports structurels, roues à aubes |
| Automobile | Fixations sur mesure, capteurs, pièces de châssis légères |
| Médical | Instruments chirurgicaux, prothèses, implants |
| Outillage | Moules d'injection, matrices d'extrusion, gabarits et montages |
Spécifications de la poudre 316L
La poudre 316L utilisée pour l'AM doit être conforme ou supérieure aux spécifications suivantes :
Distribution de la taille des particules
| Taille (μm) | Distribution (%) |
|---|---|
| 20-63 | ≥ 95 |
| 15-45 | Optimale |
Densité apparente Généralement 4,0-4,8 g/cc
Débit
Débitmètre à effet Hall > 15 sec/50g
Composition chimique Conformément aux spécifications de la qualité 316L susmentionnées
Microstructure
Entièrement austénitique, absence de filaments et de satellites
Forme des particules Morphologie essentiellement sphérique
Texture de la surface Finition lisse de la surface des particules
Teneur en oxygène La plupart du temps <1000 ppm
Magnétisation de saturation < 3.1 emu/g
Les fabricants de poudre 316L réputés produisent des matériaux qui répondent ou dépassent ces spécifications pour l'AM. Chaque lot est accompagné d'un certificat d'analyse issu d'un test indépendant.
Fournisseurs de poudre 316L
Parmi les principaux fournisseurs mondiaux de poudre d'acier inoxydable 316L, on peut citer
| Entreprise | Capacité de production | Coût par KG |
|---|---|---|
| Sandvik Osprey | 200 MT par an | $50-90 |
| Additif pour charpentier | Sur mesure | $75-150 |
| Praxair | 100 MT par an | $40-80 |
| Höganäs | 500 MT par an | $30-60 |
| Poudre CNPC | 1000 MT par an | $25-50 |
Les alliages personnalisés avec des distributions de tailles de particules spéciales ou des contrôles chimiques plus stricts peuvent coûter 20-50% de plus que les compositions de poudres 316L standard.
En ce qui concerne le prix, la poudre de 316L atomisée au gaz et adaptée à l'AM coûte généralement entre $30-150 par kg, en fonction de la qualité, de la taille du lot et de la région géographique. Les qualités atomisées à l'eau et au plasma occupent les extrémités inférieure et supérieure de cette fourchette
Avantages et inconvénients de la poudre 316L pour la fabrication additive
Avantages de la poudre 316L
Excellente résistance à la corrosion Résistance à la corrosion par piqûres et crevasses jusqu'à 25-30% supérieure à celle de la poudre 316
Bio-compatible et non toxique Sans danger pour le contact prolongé avec la peau et pour l'utilisation d'implants médicaux
Haute résistance mécanique Résistance à la traction >485 MPa correspondant et dépassant les propriétés du 316L coulé/travaillé
Performance exceptionnelle en matière de fatigue Limite de fatigue très élevée, d'où une longue durée de vie des composants
Pièces plus légères La réduction du poids des composants se traduit par des gains d'efficacité énergétique dans les véhicules
Stabilité à haute température
Peut résister à des températures supérieures à 650°C pour certaines applications
Facile à souder Compatible avec presque tous les procédés de soudage. Idéal pour les réparations et le post-traitement
Surfaces plus lisses Surfaces imprimées qui nécessitent moins de finition et de retouches
Rapport coût-efficacité Coût comparable à celui de l'acier inoxydable 316 et moins cher que les alliages exotiques
Possibilité d'alliages sur mesure Peut concevoir des compositions de poudres adaptées à une application donnée
Prototypage plus rapide et moins coûteux Pas besoin d'outillage dur comme les moules de coulée et d'usinage
Inconvénients de l'utilisation de la poudre 316L pour l'AM
Comportement mécanique anisotrope
Varie en fonction de l'orientation de la construction. Nécessite des considérations de conception et de test.
Défauts internes potentiels
Absence de fusion, particules non fondues, porosité. Cela dépend du processus d'AM utilisé.
Besoins en post-traitement L'élimination des supports, l'usinage de finition, le recuit, etc. peuvent augmenter les coûts.
Taille limitée des pièces Contraintes liées aux dimensions de la chambre de construction (amélioration constante avec de nouvelles machines)
Contraintes d'orientation Certaines géométries nécessitent des structures de support et peuvent limiter la liberté de conception.
Variabilité des propriétés
La réutilisation/recyclage des poudres peut entraîner des propriétés inférieures d'un lot à l'autre.
Limites de l'état de surface Peut fluctuer davantage que les méthodes traditionnelles d'usinage soustractif
Coût de l'équipement et du matériel Investissement élevé dans l'équipement. Grandes quantités de poudre nécessaires pour les grandes pièces.
Absence de normes de conception Domaine en évolution rapide. Des tests de qualification continus sont nécessaires.
Comparaison entre les poudres d'acier inoxydable 316L vs 17-4PH vs 15-5 PH
La poudre d'acier inoxydable 316L est devenue le premier choix pour de nombreuses applications de fabrication additive nécessitant de bonnes performances mécaniques associées à une résistance élevée à la corrosion. Cependant, pour les applications plus exigeantes, les poudres structurelles à haute résistance comme le 17-4PH et le 15-5 PH sont de plus en plus utilisées.
Voici comment ces alliages d'acier inoxydable se comparent pour les principales propriétés des poudres utilisées dans le domaine de l'AM :
| Propriété des poudres | ACIER INOXYDABLE 316L | 17-4PH SS | 15-5 PH SS |
|---|---|---|---|
| Résistance à la corrosion | Excellent | Modéré | Modéré |
| Résistance à la traction | 485-550 MPa | 1050-1200 MPa | 1050-1150 MPa |
| Limite d'élasticité | 170-340 MPa | 900-1100 MPa | 900-1000 MPa |
| Élongation | 35-50% | 8-13% | 10-16% |
| Résistance à la fatigue | 170-200 MPa | 500-700 MPa | 550-650 MPa |
| Stabilité à haute température | Juste | Excellent | Excellent |
| Soudabilité | Excellent | Juste | Bon |
| Coût par kg | $30-150 | $150-250 | $100-200 |
Cette comparaison de produits nous permet de tirer les conclusions suivantes :
- Pour la plus grande résistance à la corrosion et une bonne soudabilité, le 316L est inégalé.
- Lorsque la résistance élevée l'emporte sur les performances en matière de corrosion, les 17-4PH et 15-5 PH sont préférables.
- La poudre d'acier inoxydable 17-4PH offre la meilleure résistance au fluage à haute température.
- Le 15-5PH offre un équilibre optimal entre résistance et soudabilité/usinabilité.
- 316L est l'option la plus rentable, tandis que la poudre 17-4PH est relativement chère.
En choisissant soigneusement la bonne qualité pour une application, les acheteurs peuvent obtenir la combinaison idéale de propriétés et de rapport performance/coût.
FAQ
Voici les réponses aux questions les plus fréquentes concernant la poudre d'acier inoxydable 316L pour les procédés AM :
Quels sont les procédés de fabrication additive qui utilisent la poudre 316L ?
La poudre 316L est compatible avec tous les principaux procédés d'AM direct des métaux qui peuvent imprimer des métaux. Il s'agit notamment de
- Fusion sur lit de poudre - SLS, DMLS, SLM
- Dépôt d'énergie dirigée - LENS, EBAM, revêtement laser
- Dépôt de métal lié - Jet de liant
Quels sont les défauts courants des pièces en 316L dans l'AM ? Comment les éviter ?
Parmi les défauts rencontrés sur les pièces en 316L, on peut citer
- Manque de fusion - Fusion insuffisante de la poudre. Augmenter la puissance/vitesse du laser
- Porosité du gaz - Optimiser les schémas de balayage. Utiliser le pressage isostatique à chaud
- Fissuration - Modifier les structures de support. Optimiser les contraintes thermiques
- Particules non fondues - Veiller à ce que les couches de poudre soient uniformes. Tamiser correctement.
Quelle est la taille de particule idéale pour la poudre 316L dans l'AM ?
Une épaisseur de 15 à 45 microns est recommandée pour la plupart des procédés AM. Les poudres plus fines s'étalent mieux mais peuvent affecter l'écoulement et le recouvrement. Les particules plus grossières ont une faible capacité de compactage.
Quel post-traitement est généralement effectué pour les pièces AM en 316L ?
Les étapes de post-traitement permettent d'améliorer les propriétés finales des pièces :
- Enlèvement du support par usinage/rectification
- Pressage isostatique à chaud pour éliminer les vides internes
- Recuit de mise en solution et vieillissement pour affiner la microstructure
- Finition de surface comme l'usinage CNC et le polissage
À quelles normes la poudre 316L destinée à l'AM doit-elle se conformer ?
Bien que les normes soient encore en évolution, les principales sont les suivantes
- ASTM F3049 - Poudres métalliques AM
- ASTM F3056 - Caractérisation des poudres métalliques AM
- ASTM F3301 - Propriétés des pièces additives
- ISO/ASTM 52904 - Paramètres de processus
Les pièces en 316L peuvent-elles être soudées ou réparées après la fabrication additive ?
Oui, le 316L a une très bonne soudabilité et les composants fabriqués par AM peuvent être soudés, réparés et post-traités à l'aide de techniques telles que le soudage TIG. La mise au point d'une procédure appropriée est essentielle pour obtenir des soudures sans défaut.
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