3dプリンティング用ニッケル合金粉末

3dプリント用ニッケル合金粉末について知っておくべきすべて

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3Dプリンティング用ニッケル合金粉末の概要

3Dプリンティングは、次のように知られている。アディティブ・マニュファクチャリング3Dプリンティングは、航空宇宙、自動車、医療、消費財などの業界において、製品設計と製造に革命をもたらした。材料を除去する従来の減法的製造とは異なり、3Dプリンティングはデジタル3Dモデルに基づいてコンポーネントを層ごとに構築します。

金属3Dプリントで最も人気のある技術の1つは、熱エネルギー源が粉末層の領域を選択的に融合させる粉末床融合です。比類のない設計の自由度、購入から飛行までの比率、複雑な部品の経済的な生産が、以下のような粉末床技術の大規模な採用を後押ししている。 選択的レーザー溶融 (SLM）、直接金属レーザー焼結（DMLS）、および電子ビーム溶解（EBM）.

ニッケル合金は、高強度、耐食性、耐熱性など、3Dプリンティングに理想的な特性を持つ汎用性の高い材料です。粉末冶金で使用される最も一般的なニッケル合金粉末には、インコネル超合金、ステンレス鋼、ハステロイ、ニモニクス、コバール、インバー、モネル、ニッケルチタン合金、ニッケル基超合金などがあります。

ニッケル合金粉末の組成

ニッケル合金の特性は、その元素組成と微細構造に由来する。ニッケル含有量は合金によって2%から99%まで様々である。ニッケルは耐食性、耐酸化性、高温強度などの特性を与えます。合金元素は、用途に応じて特定の特性を高めるために添加されます。

ニッケル合金粉末組成物

合金ファミリー	ニッケル含有量	合金元素
インコネル	30-80%	Cr、Mo、Nb、Ta、Al、Ti、Fe
ステンレス	2-20%	Cr, Mo, Mn, Si, C
ハステロイ	35-60%	Mo、Cr、W、Fe、Co
ニモニック	50%以上	Cr、Ti、Al、Mo
コバール	17%	Fe、Co、Mn、Si
インバー	36%	フェ
モネル	67%以上	Cu、Fe、Mn、Si、C
ニッケルチタン	55%ニッケル、45%チタン	–
ニッケル超合金	50%以上	Cr、Co、Mo、W、Ta、Al、Ti、Nb

ステンレス鋼とニッケル超合金に含まれるクロムは、耐酸化性と耐食性を向上させる。モリブデン、タングステン、タンタルは、クリープ強度と高温機械特性を向上させる。コバールやインバーなどの合金に含まれる鉄は、熱膨張挙動を制御する。アルミニウム、チタン、ニオブは析出硬化のために添加される。マンガンは熱間延性を高め、炭素は強度と硬度を高める。ケイ素は流動性と溶接性を向上させる。

合金化が微細構造の形成と特性にどのように影響するかを理解することは、用途に最適な材料を選択するのに役立ちます。粉末組成と品質の適切な特性評価と認定は、ミッションクリティカルなコンポーネントを印刷する前に非常に重要です。

ニッケル合金粉末の特性

最適化された粉末から製造されるニッケル合金のユニークな特性は、多様な用途や過酷な環境での使用を可能にします。下の表は、一般的な合金ファミリーの一般的な特性をまとめたものです。

ニッケル合金粉末ファミリーの特性

合金ファミリー	密度	融点	引張強度	熱伝導率	熱膨張	耐酸化性	耐食性
インコネル	8.2-8.4 g/cc	1300-1450°C	750-1380 MPa	11-16 W/mK	12-16 μm/m°C	素晴らしい	素晴らしい
ステンレス	7.5-8.1 g/cc	1375-1500°C	450～1100 MPa	15-30 W/mK	10-18 μm/m°C	グッド	グッド・エクセレント
ハステロイ	8.1-9.2 g/cc	1260-1350°C	550-1000 MPa	6-22 W/mK	12-16 μm/m°C	グッド・エクセレント	素晴らしい
ニモニック	8.1-8.7 g/cc	1260-1400°C	500-1200 MPa	10-30 W/mK	12-17 μm/m°C	グッド	グッド
コバール	8.2 g/cc	1450°C	550 MPa	17 W/mK	5.9 μm/m°C	貧しい	貧しい
インバー	8 g/cc	1427°C	200-450 MPa	10.5 W/mK	1.2 μm/m°C	フェア	フェア
モネル	8.8 g/cc	1350-1370°C	550-950 MPa	21-48 W/mK	13-17 μm/m°C	フェア	素晴らしい
ニッケルチタン	6.4 g/cc	1240-1310°C	600-900 MPa	8-18 W/mK	11 μm/m°C	フェア	素晴らしい
ニッケル超合金	8-9 g/cc	1260-1350°C	750-1400 MPa	11-61 W/mK	12.5-17 μm/m°C	グッド・エクセレント	可もなく不可もなく

ニッケル合金の高い融点は、加工中の部品の歪みや変形を防ぎます。広い温度範囲での強度レベルは、荷重を支える構造用途を可能にします。制御された熱膨張挙動により、厳しい公差を持つ精密部品が可能になります。優れた耐食性と耐酸化性は、海洋、化学、石油・ガスなどの過酷な環境での使用を容易にします。

粉末組成とプロセスパラメータを調整することで、材料特性を設計要件に合わせて最適化することができる。しかし、積層造形の異方性により、方向依存的な特性が生じる可能性がある。望ましい性能を達成するには、適切な設計と品質保証が鍵となる。

ニッケル合金粉末の用途

ニッケル合金は汎用性が高いため、航空宇宙、防衛、自動車、海洋、石油・ガス、化学処理、発電、医療、工具、その他一般的なエンジニアリング分野など、さまざまな用途に適しています。

産業ニッケル合金粉末の用途家族

合金ファミリー	産業用途
インコネル	航空宇宙、防衛、自動車、化学処理、石油・ガス、発電、ロケット、ミサイル、原子力
ステンレス	航空宇宙、防衛、自動車、医療、海洋、建築、化学、食品加工、工具、金型
ハステロイ	航空宇宙、防衛、化学処理、公害防止、発電、石油・ガス
ニモニック	航空宇宙, 防衛, 発電, 化学処理, 工具
コバール	エレクトロニクス、半導体、集積回路、パッケージング
インバー	エレクトロニクス、光学、精密機器、航空宇宙
モネル	海洋、石油・ガス、化学処理、発電、パルプ・製紙
ニッケルチタン	医療機器、アクチュエーター、センサー、航空宇宙、石油・ガス
ニッケル超合金	航空宇宙, 防衛, 発電, 石油・ガス, 自動車, 工具

3Dプリンターで製造されるニッケル合金部品の例には、以下のようなものがある：

航空宇宙タービンブレード、ノズル、燃焼器、バルブ、ブラケット、熱流体部品
自動車ターボチャージャーローター、マニホールド、バルブ、ドライブトレイン部品
医療：インプラント、補綴物、手術器具、患者専用器具
石油・ガスダウンホールツール、バルブ、坑口部品、配管継手
金型射出成形用金型、押出成形用金型、治工具、プレス工具
一般熱交換器、流体処理部品、ファスナー、ハウジング、エンクロージャー

3Dプリンターによるニッケル合金の優れた材料特性、複雑な形状、リードタイムの短縮、コストの削減、設計の柔軟性により、多くの重要な用途において非常に魅力的な選択肢となっています。

ニッケル合金粉末仕様

ニッケル合金粉末は、3Dプリンティングの要件に合わせて、さまざまなサイズ分布、形態、品質レベルで市販されています。一般的な仕様を以下に示します：

代表的なニッケル合金粉末の仕様

プロパティ	代表値
合金組成	カスタム合金、ASTM/ASMEによる等級
粒子形状	球形、球形に近い
粒子径	10～45ミクロン
粒度分布	D10：15～25μm、D50：25～35μm、D90：35～45μm
見かけ密度	2.5-5.5 g/cc
タップ密度	4-8 g/cc
流動性	優れたホール流量計
残留酸素	100-400 ppm
残留窒素	50-150 ppm
残留炭素	100-300 ppm

D10、D50、D90の値が特定の印刷工程に理想的な範囲にある球状形態と狭い粒度分布は、良好な密度と機械的特性を達成するのに役立ちます。高い流動性により、再塗工時のパウダーの凝集や拡散性の問題を防ぎます。低残留酸素、低窒素、低炭素により、コンタミネーションやポロシティを最小限に抑えます。

粉末の品質、粒度パラメータ、およびその他の特性は、最終的な部品の特性に大きく影響するため、プリンターやアプリケーションの要件に合わせる必要があります。ほとんどのサプライヤーは、ユーザーの仕様を満たすために、カスタム合金組成と粒子の最適化を提供しています。

ニッケル合金粉末3Dプリント方法

ニッケル合金粉末の加工に用いられる最も一般的な積層造形法には、以下のようなものがある：

ニッケル合金粉末印刷プロセス

方法	説明
選択的レーザー溶融（SLM）	集光レーザービームによって溶融された粉体層
ダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS）	SLMに似ているが、低出力レーザー
電子ビーム溶解（EBM）	真空下で電子ビームにより溶融されたパウダーベッド
レーザー金属蒸着 (LMD)	レーザーで作られた溶融プールに粉末を注入する
指向性エネルギー蒸着（DED）	パウダーまたはワイヤーフィードのLMDに類似
バインダー・ジェット	パウダーベッドに選択的に印刷された液体接着剤

SLMとDMLSは、高出力密度のレーザーを使用して金属粉末を完全に溶かし、層状の緻密な部品にする。EBMは、電子ビームを動力源として使用し、真空下でパーツを製造する。ワイヤーフィードLMDは、集光レーザーを使用して、入射する金属ワイヤーを溶融する。バインダージェッティングは、液体バインダを印刷して部品を形成し、その後焼結する。

選択される特定の技法は、部品サイズ、形状の複雑さ、表面仕上げ、フィーチャー解像度、生産速度、コストなどの要因に依存する。各工程では、粉末合金の組成に合わせたプリンター設定とパラメーターの最適化が必要です。

ニッケル合金粉末プロセスパラメータ

密度、強度、精度、表面仕上げの最適化を必要とするニッケル合金の重要なプリンターパラメーターには、以下のようなものがある：

代表的なSLM/DMLSプロセスパラメータ

パラメータ	典型的な範囲
層厚	20-60 μm
レーザー出力	100-400 W
スキャン速度	400-1200 mm/s
ハッチの間隔	80-200 μm
ビームサイズ	50-200 μm
スキャン戦略	チェス、ストライプ、輪郭
サポート体制	レギュラー、断片的、ハイブリッド

典型的なEBMプロセスパラメータ

パラメータ	典型的な範囲
層厚	50-200 μm
電子ビーム出力	3-15 kW
スピード機能	20～200mm/秒
ラインオフセット	0.1-0.3 mm
フォーカスオフセット	15-35 mA
スキャン戦略	一方向性、双方向性
サポート体制	レギュラー、ヘビー

低い層厚とビームサイズと高速スキャンとの組み合わせにより、分解能、精度、表面仕上げが向上する。チェスやストリップのスキャンパターンがよく使われる。周辺輪郭はエッジ品質を向上させる。最適化された支持構造は変形を防ぐが、除去は容易である。予熱と粉体リサイクルは、密度と材料品質を向上させます。

ニッケル合金を3Dプリントする利点

最適化されたニッケル合金粉末を使用した積層造形は、従来の製造と比較して多くの利点がある：

デザインの自由度:機械加工では不可能な複雑形状
軽量化:トポロジー最適化による部品の軽量化
パート統合:複雑な形状のプリントによる組み立ての軽減
カスタマイズ:患者適合医療機器、工具
廃棄物の削減:必要量のみ使用
リードタイムの短縮:数週間対数ヶ月の製造ツーリング
プロセスの柔軟性:容易な設計の反復と最適化
パフォーマンスのメリット:異方性強度、埋め込み機能
コスト削減:金型費用の削減、少量生産
購入比率:最終部品のみの印刷とブロックからの機械加工

3Dプリンティングは設計の幅を広げ、従来の技術では実現不可能で経済的でもなかった斬新なニッケル合金部品を可能にする。3Dプリンティングは、航空宇宙、医療、自動車、その他の産業の生産に革命をもたらしている。

ニッケル合金粉末サプライヤー

現在、ほとんどの大手金属粉末メーカーは、積層造形用に最適化されたニッケル合金粉末を提供しています。代表的なサプライヤーには次のようなものがあります：

主要ニッケル合金粉末サプライヤー

サプライヤー	主要合金グレード
メット3DP	インコネル625、718、ハステロイX、ステンレス鋼
サンドビック	オスプレイステンレス鋼、超合金、チタン合金
プラクセア	インコネル718、625、ハステロイX、ステンレス鋼
エーピーアンドシー	インコネル718、625、ステンレス鋼
LPWテクノロジー	インコネル718、ステンレス鋼、ニッケル超合金
SLMソリューション	ステンレス鋼 316L、17-4PH、ニッケル超合金
GEアディティブ	ステンレス316L、インコネル718、625、ハステロイ

サプライヤーは、様々な粒度分布、優れた粉末流動性、低酸素・低水分含有量、ロット・トレーサビリティ、プロセスや用途の要件に合わせたカスタム合金を提供する。ほとんどのサプライヤーは、一貫した高品質の粉末を確保するために、特殊な特性評価を提供しています。

ニッケル合金粉末コスト

一般的なニッケル合金粉末の平均コストは以下の通りです：

ニッケル合金粉末のコスト

素材	kgあたりのコスト
インコネル718	$75-150
インコネル625	$60-120
ステンレス 316L	$35-70
ステンレス鋼 17-4PH	$45-90
ハステロイX	$85-170
ニッケル超合金	$90-200