Druk 3D Inconel

Inconel odnosi się do rodziny superstopów na bazie niklu i chromu, znanych z odporności na ciepło, korozję i ciśnienie. Druk 3D z Inconelu zapewnia większą swobodę projektowania i lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu z konwencjonalnymi metodami produkcji w takich branżach jak lotnictwo, energetyka i motoryzacja.

Przegląd Druk 3d inconel

Nadstopy Inconel to materiały niklowo-chromowe wzmocnione dodatkami żelaza, niobu, molibdenu i innych pierwiastków. Ich wysoka odporność na temperaturę, korozję i zmęczenie materiału sprawia, że Inconel nadaje się do wymagających zastosowań.

Druk 3D przy użyciu technik syntezy w złożu proszkowym oferuje nowy potencjał w zakresie produkcji złożonych części Inconel o drobniejszym ziarnie i doskonałej wytrzymałości w porównaniu z tradycyjnymi metodami. Kluczowe korzyści obejmują:

• Wytwarzanie złożonych, lekkich geometrii
• Ulepszone właściwości rozciągające i zmęczeniowe
• Wyższa precyzja i elastyczność projektowania
• Krótsze czasy realizacji i niższe wolumeny
• Możliwość tworzenia zoptymalizowanych struktur kratowych
• Łączenie różnych materiałów w jedną część

Pomimo zalet, wyzwania takie jak naprężenia szczątkowe, ryzyko porowatości i obróbka końcowa muszą zostać uwzględnione w celu uzyskania wysokiej jakości drukowanych komponentów Inconel.

Ogólnie rzecz biorąc, produkcja addytywna odblokowuje innowacyjne zastosowania Inconelu w wymiennikach ciepła, sprzęcie do spalania, komponentach lotniczych, implantach biomedycznych i innych niszach wymagających ekstremalnej trwałości środowiskowej.

Skład Druk 3d inconel

Inconel to szeroka marka superstopów odnosząca się do ponad dwóch tuzinów utwardzanych wydzieleniowo materiałów na bazie niklu, zaprojektowanych do wymagających zastosowań związanych z wysoką temperaturą, korozją i ciśnieniem.

Wysoka zawartość niklu tworzy austenityczną strukturę krystaliczną FCC zapewniającą wzmocnienie w roztworze stałym. Dodane pierwiastki, takie jak chrom, żelazo, niob, molibden, aluminium i tytan, ułatwiają utwardzanie wydzieleniowe w celu zwiększenia wydajności mechanicznej.

Typowe zakresy składu:

Określone gatunki Inconelu mają węższe zakresy stopów przeznaczone do niszowych zastosowań. Na przykład:

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

Wpływ głównych pierwiastków stopowych:

• Nikiel - dominujący pierwiastek zapewniający odporność na korozję i plastyczność
• Chrom - odporność na utlenianie i twardość dzięki tworzeniu tlenków Cr
• Niob - węglik spiekany o kluczowym znaczeniu dla wzmocnienia wytrąceniowego
• Molibden - Wzmacniacz roztworu stałego
• Żelazo - przyczynia się do utwardzania roztworu stałego
• Aluminium + tytan - tworzą osady gamma prime w celu radykalnego wzmocnienia stopów

Druk 3d inconel Właściwości

Materiały Inconel oferują wyjątkowe połączenie odporności na ciepło, odporności na korozję, wysokiej wytrzymałości i wyjątkowej trwałości zmęczeniowej znacznie przewyższającej standardowe stale nierdzewne. Sprawia to, że są one odpowiednie do ekstremalnych wymagań pomimo ich wyższych kosztów.

Właściwości fizyczne

• Gęstość - Zakres od 7,9 do 8,5 g/cm3
• Temperatura topnienia - 1300-1450°C w zależności od dokładnego składu
• Rezystywność elektryczna - Zakres 70-94 μΩ-cm
• Przewodność cieplna - Słabsze przy 10-20 W/m-K
• Współczynnik rozszerzalności cieplnej - Około 13-16 (μm/m)/°C

Właściwości mechaniczne

• Wytrzymałość na rozciąganie - 500-1500 MPa
• Granica plastyczności - 240-1200 MPa
• Wydłużenie – 10-55%
• Twardość - Rockwell B 80-150
• Moduł sprężystości - 150-210 GPa
• Odporność na złamania - 100-300 MPa-m^1/2^

Limity wydajności

• Maksymalna temperatura pracy - 650-1100°C
• Odporność na utlenianie - Do 900-1100°C w powietrzu
• Odporność na korozję wodną - Szeroki zakres nośników
• Odporność na siarczkowanie - Ciągły 500-900°C

Wytrzymałość zmęczeniowa

Główną zaletą Inconelu jest wyjątkowa wytrzymałość zmęczeniowa, która utrzymuje się nawet przy cyklicznych odkształceniach termicznych i mechanicznych. Na przykład Inconel 718 oferuje imponującą żywotność 100 000+ godzin w temperaturach bliskich 700°C.

Metody wytwarzania przyrostowego

Inconel może być drukowany 3D przy użyciu technik spiekania w złożu proszkowym, w których wiązka laserowa lub elektronowa spieka kolejne warstwy proszku metalowego w oparciu o cyfrowe sekcje modelu. Umożliwia to uzyskanie złożonych geometrii Inconelu, nieosiągalnych metodami subtraktywnymi.

Dwie dominujące technologie to:

Laserowa fuzja proszkowa (L-PBF)

Znany również jako bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS), w którym laser o dużej mocy skanuje złoża proszku, aby selektywnie stopić obszary pasujące do przekroju części, łącząc cząstki razem po szybkim zestaleniu.

Fuzja elektronów w złożu proszkowym (E-PBF)

Wiązka elektronów zapewnia źródło energii o wysokiej gęstości do łączenia warstw proszku w oparciu o geometrię modelu CAD. Środowisko budowy znajduje się w próżni, co eliminuje rozpraszanie wiązki.

L-PBF jest bardziej dostępny i szybszy, podczas gdy E-PBF może lepiej przetwarzać materiały o wysokim współczynniku odbicia, takie jak stopy aluminium lub miedzi. Obie metody pozwalają na mieszanie stopów w ramach jednego drukowanego komponentu.

Rozważania dotyczące procesu

Wyzwania szczególne dla Inconel AM obejmują wysokie naprężenia termiczne prowadzące do pękania i odkształceń, wewnętrzne naprężenia szczątkowe ograniczające geometrię, chropowatość po wydrukowaniu wymagającą wykończenia, złożoność opracowywania parametrów w stosunku do stali oraz brak danych projektowych.

Aby osiągnąć docelową wydajność mechaniczną, konieczna jest staranna optymalizacja strategii skanowania, temperatury, mocy wiązki, odstępów między lukami, właściwości proszku, zarządzania termicznego i obróbki końcowej.

Druk 3d inconel Oceny do wydrukowania

Najpopularniejsze drukowane warianty kutego Inconelu to Inconel 625 i Inconel 718 reprezentujące ponad 75% zużycia, a następnie Inconel 800, Inconel 686 i specjalne gatunki do zastosowań niszowych.

Inconel 625

Ten stop niklowo-chromowo-molibdenowy zapewnia wytrzymałość i wyjątkową zdolność do lutowania twardego oraz odporność na korozję nawet w ekstremalnych temperaturach do 980°C. Stosowany do puszek spalinowych, zaworów silnikowych, wymienników ciepła i sprzętu do przetwarzania chemicznego.

Inconel 718

Stal niklowa klasy lotniczej o wyjątkowej granicy plastyczności do 1200 MPa i zdolności do zachowania właściwości przy długotrwałym użytkowaniu w temperaturze 650°C. Jej wysoka wytrzymałość, ciągliwość i odporność na zmęczenie sprawiają, że jest to złoty standard dla sprzętu lotniczego, takiego jak łopatki turbin i tarcze.

Inconel 800

Stop żelaza, niklu i chromu zapewniający wyjątkową odporność na nawęglanie i utlenianie w temperaturach do 1150°C. Stosowany w rurach przegrzewaczy, urządzeniach do obróbki cieplnej, piecach grzewczych itp.

Inconel 686

Modyfikacja Inconelu 625 zaprojektowana w celu poprawy odporności na korozję międzykrystaliczną i wżery poprzez dodanie wolframu i molibdenu. Stosowany w systemach odsiarczania spalin i jądrowych generatorach pary.

Klasy niestandardowe

Prace badawczo-rozwojowe dla zastosowań o wysokiej wartości mieszają Inconel z węglikami, stopami o wysokiej entropii lub innymi cząstkami w celu dalszego zwiększenia właściwości, takich jak pełzanie, zmęczenie, ścieranie lub odporność na korozję.

Druk 3d inconel Wydajność mechaniczna

Ogólnie rzecz biorąc, Inconel produkowany addytywnie wykazuje lepsze właściwości rozciągające i zmęczeniowe w porównaniu do swoich odlewanych lub kutych odpowiedników.

Na przykład, drukowany w 3D Inconel 718 wykazuje o ponad 30% wyższą granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z konwencjonalnie przetwarzanym materiałem, zachowując jednocześnie znaczną plastyczność powyżej wydłużenia 10%.

Typowe właściwości mechaniczne popularnych gatunków Inconelu z nadrukiem

Zwiększona wytrzymałość wynika ze znacznego rozdrobnienia ziarna do 5-10 mikronów w przypadku drukowanego Inconelu (zamiast średniego rozmiaru ziarna ASTM >50 mikronów w przypadku kutego). To wzmocnienie Hall-Petch w połączeniu z zachowanymi fazami międzymetalicznymi wyjaśnia zwiększone możliwości mechaniczne.

Kierunkowo zestalone mikrostruktury i tekstury dostosowane do oczekiwanych warunków obciążenia mogą dodatkowo zwiększyć wydajność. Z drugiej strony, defekty takie jak porowatość lub pękanie wynikające z niewłaściwych parametrów druku negatywnie wpływają na właściwości.

Druk 3d inconel Zastosowania

Druk 3D rozszerza zastosowanie Inconelu na bardziej krytyczne pod względem wydajności aplikacje wymagające złożonych kształtów, szybkiej realizacji zamówień lub niestandardowych stopów, jednocześnie uzupełniając konwencjonalne techniki subtraktywne dla prostszych komponentów, które nie przekraczają limitów materiałowych.

Lotnictwo i kosmonautyka

Części napędu rakietowego, łopatki turbin, dysze paliwowe i wkładki spalania wytwarzane addytywnie przewyższają tradycyjnie przetwarzane nadstopy w ekstremalnych strumieniach ciepła i ciśnieniach. Zoptymalizowane kanały chłodzenia i lżejsze skonsolidowane zespoły również zostały zrealizowane.

Ropa i gaz

Sprzęt do głowic wiertniczych, narzędzia wiertnicze, wiertła i obudowy korzystają ze zwiększonej odporności na zużycie i korozję dzięki drukowanym, kierunkowo zestalonym komponentom Inconel o geometrii i wbudowanej integracji czujników, które są trudne do wyprodukowania w inny sposób.

Wytwarzanie energii

Rury wymienników ciepła, wężownice przegrzewaczy i komponenty gorących sekcji turbin gazowych mają 2-4 razy dłuższą żywotność dzięki dostosowanym składom Inconel i skomplikowanym kanałom konforemnym chłodzącym krytyczne obszary.

Motoryzacja

Mieszanie różnych gatunków Inconelu pozwala pojedynczym głowicom cylindrów integrującym funkcje kolektora wydechowego wytrzymać temperatury przekraczające 850°C bez topnienia lub pękania, przy jednoczesnej optymalizacji przepływu chłodziwa.

Pojawiające się aplikacje

Niestandardowe implanty medyczne i dentystyczne, reaktory mikroprzepływowe i radiatory, elektrody do elektrolizy oraz niszowe zastosowania w lotnictwie i kosmonautyce w szczególności wykorzystują elastyczność Inconel AM.

Globalni dostawcy i ceny

Szereg producentów kontraktowych, drukarni metali, biur druku, dostawców proszków, firm programistycznych i firm zajmujących się wykańczaniem części wspiera produkcję drukowanych komponentów Inconel na całym świecie. Ceny różnią się w zależności od takich czynników, jak wielkość zamówienia, wymagania dotyczące tolerancji, czas realizacji i wymagania jakościowe.

Szacowane koszty części:

Zakres drukowanych części Inconel obejmuje $50-500 na cal sześcienny na podstawie złożoności, wskaźników zużycia materiałów eksploatacyjnych, trudności przetwarzania w porównaniu do konwencjonalnych stopów, takich jak stale lub tytan, oraz wymaganej jakości wykończenia. Zobowiązania dotyczące dużych ilości znacznie poprawiają ekonomię skali.

Normy i specyfikacje

Opracowanie parametrów druku w oparciu o istniejące standardy obróbki kutej stali Inconel pomaga dopasować skład i podstawowe oczekiwania mechaniczne:

Jednak standardy specyficzne dla AM obejmujące projektowanie, kwalifikację, testowanie, certyfikację, obsługę proszku i inne kwestie związane z drukowanym Inconelem wciąż ewoluują:

• ASTM F3055 - Standardowa specyfikacja dla wytwarzania przyrostowego stopu niklu (UNS N06625) metodą stapiania w złożu proszkowym
• ASTM F3056 - Standardowa specyfikacja wytwarzania przyrostowego stopu niklu (UNS N07718) metodą stapiania w złożu proszkowym
• ASME BPVC Sekcja IX - Kwalifikacje w zakresie spawania, lutowania twardego i stapiania
• AWS D20.1 - Produkcja elementów metalowych z wykorzystaniem wytwarzania przyrostowego

Wykorzystanie ustalonych gatunków stali kutej jako surowca przy jednoczesnej kontroli zmienności procesu drukowania w stosunku do tych specyfikacji zapewnia spójne właściwości drukowanego Inconelu.

Plusy i minusy produkcji addytywnej Inconel

Ogólnie rzecz biorąc, zrównoważenie możliwości drukarki z wymaganiami aplikacji i kosztami określa optymalne trasy produkcji komponentów Inconel.

FAQ

P: Jakie są najlepsze praktyki mające na celu poprawę jakości drukowanych w 3D części Inconel?

O: Optymalizacja parametrów, zarządzanie proszkiem, wariacje strategii skanowania, dostosowane cykle termiczne, HIP i obróbka cieplna, wykańczanie powierzchni, skanowanie CT i kompleksowe testy walidacji mechanicznej pomagają sprostać wyzwaniom związanym z procesem addytywnym, zapewniając niezawodną integralność drukowanego Inconelu przez cały cykl życia produktu.

P: Który proces drukowania pozwala uzyskać lepsze części z Inconelu - laserowy czy z wykorzystaniem wiązki elektronów?

O: Obie metody pozwalają na uzyskanie elementów Inconel o pełnej gęstości, ale laser lepiej radzi sobie z wykończeniem powierzchni, podczas gdy wiązka elektronów umożliwia uzyskanie elementów o wyższym współczynniku kształtu, choć przy wolniejszych prędkościach. Wydajność zależy również od konkretnych możliwości sprzętu, takich jak moc wiązki, rozmiar plamki, ścieżka rastra, rozmiar komory i precyzja.

P: Jak wypada trwałość zmęczeniowa wydrukowanego Inconelu w porównaniu z tradycyjnie produkowanymi komponentami?

W warunkach zmęczenia wysokocyklowego, Inconel produkowany addytywnie generalnie spełnia lub przewyższa stopy odlewane i kute. Na przykład Inconel 718 wykazuje 6-8 razy dłuższą żywotność w porównaniu z odlewami. Jednak w przypadku złożonego zmęczenia cieplno-mechanicznego, defekty kontrolują awarię, pozwalając na krótszą lub dłuższą żywotność w zależności od poziomu optymalizacji w stosunku do innych procesów.

P: Czy można drukować 3D niestandardowe stopy Inconel poza popularnymi gatunkami, takimi jak 625 i 718?

O: Tak, dział badawczo-rozwojowy często opracowuje specjalne mieszanki proszków zwiększające właściwości, takie jak sztywność, wytrzymałość, plastyczność, odporność na zużycie, zachowanie w wysokich temperaturach i odporność na korozję poprzez kontrolowane dodawanie pierwiastków, takich jak wolfram, tantal, kobalt, aluminium, węgiel i inne w ramach parametrów rodziny Inconel.

P: Jakie zmiany spowodują dalszy wzrost wykorzystania komponentów Inconel produkowanych addytywnie?

O: Szybszy sprzęt zmniejszający koszty produkcji, hybrydowa produkcja łącząca AM z technikami subtraktywnymi w jednym systemie, zaawansowane monitorowanie procesu i kontrola w pętli zamkniętej w celu zminimalizowania defektów, rozszerzone opcje stopów, bardziej kompletne dane projektowe i rygorystyczne standardy kwalifikacji specjalnie ukierunkowane na drukowany Inconel zwiększą popularność.

poznaj więcej procesów druku 3D