3D-печать из инконеля

Инконель относится к семейству никель-хромовых суперсплавов, известных своей жаропрочностью, коррозионной стойкостью и устойчивостью к давлению. 3D-печать из инконеля позволяет расширить свободу дизайна и механические свойства по сравнению с традиционными производственными подходами для таких отраслей, как аэрокосмическая, энергетическая и автомобильная.

Обзор 3d печать инконель

Суперсплавы Inconel - это никель-хромовые материалы, усиленные добавками железа, ниобия, молибдена и других элементов. Благодаря высокой термостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности инконель подходит для применения в сложных условиях.

3D-печать с использованием технологии порошкового наплавления открывает новые возможности для производства сложных деталей из инконеля с более мелким зерном и повышенной прочностью по сравнению с традиционными методами. Основные преимущества включают:

• Изготовление сложных, легких геометрических форм
• Улучшенные характеристики при растяжении и усталости
• Повышенная точность и гибкость конструкции
• Сокращение сроков изготовления и снижение объемов
• Возможность создания оптимизированных решетчатых структур
• Соединение разнородных материалов в одну деталь

Несмотря на преимущества, для получения качественных печатных компонентов из инконеля необходимо решить такие проблемы, как остаточные напряжения, риски пористости и постобработка.

В целом, аддитивное производство открывает возможности для инновационного применения инконеля в теплообменниках, аппаратуре для сжигания топлива, аэрокосмических компонентах, биомедицинских имплантатах и других областях, требующих долговечности в экстремальных условиях.

Состав 3d печать инконель

Inconel - это широкая марка суперсплавов, включающая в себя более двух десятков материалов на основе никеля, закаленных осаждением, предназначенных для работы в условиях высоких температур, коррозии и давления.

Высокое содержание никеля формирует аустенитную кристаллическую структуру FCC, обеспечивающую упрочнение в твердом растворе. Дополнительные элементы, такие как хром, железо, ниобий, молибден, алюминий и титан, способствуют закалке осаждением для улучшения механических характеристик.

Типичные диапазоны состава:

Отдельные марки инконеля имеют более узкие диапазоны легирования, ориентированные на нишевые применения. Например:

Инконель 625

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

Инконель 718

• 50-55% Ni
• 17-21% Cr
• 4.75-5.5% Nb
• 2,8-3,3% Mo
• 0-1% Al

Влияние основных легирующих элементов:

• Никель - доминирующий элемент, обеспечивающий коррозионную стойкость и пластичность
• Хром - устойчивость к окислению и твердость за счет образования оксидов Cr
• Ниобий - карбидообразующее вещество, имеющее решающее значение для упрочнения осадка
• Молибден - упрочнитель твердых растворов
• Железо - Способствует затвердеванию твердого раствора
• Алюминий + титан - образуют гамма-преципитаты для значительного укрепления сплавов

3d печать инконель Свойства

Материалы из инконеля обладают исключительным сочетанием жаропрочности, коррозионной стойкости, высокой прочности и усталостной долговечности, значительно превосходящими стандартные нержавеющие стали. Это делает их пригодными для использования в экстремальных условиях, несмотря на более высокую стоимость.

Физические свойства

• Плотность - Варьируется в пределах 7,9-8,5 г/см3
• Температура плавления - 1300-1450°C в зависимости от точного состава
• Электрическое сопротивление - Диапазон 70-94 мкм-см
• Теплопроводность - Слабее при 10-20 Вт/м-К
• Коэффициент теплового расширения - Около 13-16 (мкм/м)/°C

Механические свойства

• Прочность на разрыв - 500-1500 МПа
• Предел текучести - 240-1200 МПа
• Удлинение – 10-55%
• Твердость - Роквелл B 80-150
• Модуль упругости - 150-210 ГПа
• Вязкость разрушения - 100-300 МПа-м^1/2^

Пределы производительности

• Максимальная температура эксплуатации - 650-1100°C
• Устойчивость к окислению - До 900-1100°C на воздухе
• Устойчивость к водной коррозии - Широкий спектр носителей
• Устойчивость к сульфидации - Непрерывный 500-900°C

Усталостная прочность

Основным преимуществом инконеля являются выдающиеся усталостные характеристики, сохраняющиеся даже при термическом и механическом циклировании деформации. Например, Inconel 718 обеспечивает впечатляющий ресурс разрыва 100 000+ часов при температурах, близких к 700°C.

Методы аддитивного производства

Инконель может быть напечатан 3D-методом с использованием технологии порошкового наплавления, при которой лазерный или электронный луч сплавляет последовательные слои металлического порошка на основе цифровых секций модели. Это позволяет создавать сложные геометрические формы из инконеля, недостижимые с помощью субтрактивных методов.

Используются две наиболее распространенные технологии:

Лазерное порошковое напыление (L-PBF)

Также известна как прямое лазерное спекание металлов (DMLS), при котором мощный лазер сканирует слой порошка, чтобы выборочно расплавить участки, соответствующие поперечному сечению детали, и соединить частицы вместе после быстрого затвердевания.

Электронно-лучевой порошковый синтез (E-PBF)

Электронный луч обеспечивает высокую плотность энергии для сплавления слоев порошка на основе геометрии CAD-модели. Среда сборки находится в вакууме, что исключает проблемы с рассеиванием луча.

L-PBF является более доступным и быстрым, в то время как E-PBF позволяет лучше обрабатывать материалы с высокой отражающей способностью, такие как алюминиевые или медные сплавы. Оба метода позволяют смешивать сплавы в одном печатном компоненте.

Соображения, связанные с процессом

Проблемы, характерные для AM из инконеля, включают высокие термические напряжения, приводящие к растрескиванию и деформации, внутренние остаточные напряжения, ограничивающие геометрию, шероховатость, требующую финишной обработки, сложность разработки параметров по сравнению со сталями и отсутствие данных для проектирования.

Для достижения заданных механических характеристик необходима тщательная оптимизация стратегии сканирования, температуры, мощности луча, расстояния между отверстиями, характеристик порошка, терморегулирования и последующей обработки.

3d печать инконель Печатные оценки

Наиболее распространенными вариантами деформируемого инконеля являются инконель 625 и инконель 718, которые используются более 75%, за ними следуют инконель 800, инконель 686 и специальные марки для нишевых применений.

Инконель 625

Рабочий никель-хром-молибденовый сплав обеспечивает прочность, превосходную паяемость и коррозионную стойкость даже при экстремальных температурах до 980°C. Используется для изготовления камер сгорания, клапанов двигателей, теплообменников и оборудования для химической обработки.

Инконель 718

Никелевая сталь аэрокосмического класса с исключительным пределом текучести до 1 200 МПа и способностью сохранять свои свойства при длительной эксплуатации при температуре 650°C. Высокая прочность, вязкость и усталостная прочность делают этот суперсплав золотым стандартом для летного оборудования, такого как лопатки и диски турбин.

Инконель 800

Железо-никель-хромовый сплав, обеспечивающий исключительную стойкость к науглероживанию и окислению в среде до 1150°C. Используется в трубах пароперегревателей, оборудовании для термообработки, обогревательных приборах и т.д.

Инконель 686

Модификация Inconel 625, разработанная для улучшения характеристик межкристаллитной коррозии и точечной коррозии за счет добавления вольфрама и молибдена. Используется в системах сероочистки дымовых газов и ядерных парогенераторах.

Пользовательские оценки

В ходе исследований и разработок для дорогостоящих применений инконель смешивается с карбидами, высокоэнтропийными сплавами или другими частицами для дальнейшего улучшения свойств, таких как сопротивление ползучести, усталости, истиранию или коррозии.

3d печать инконель Механические характеристики

В целом, аддитивно изготовленный инконель демонстрирует улучшенное поведение при растяжении и усталости по сравнению с литыми или деформированными аналогами.

Например, 3D-печатный Inconel 718 демонстрирует более чем на 30% более высокие пределы текучести и прочности на растяжение по сравнению с обычным материалом, сохраняя при этом ощутимую пластичность при удлинении выше 10%.

Типичные механические свойства распространенных печатных марок инконеля

Повышенная прочность обусловлена значительным измельчением зерен до 5-10 микрон в напечатанном инконеле (вместо среднего размера зерен по ASTM >50 микрон в деформированном). Такое упрочнение по методу Холла-Петча в сочетании с некоторыми сохранившимися интерметаллическими фазами объясняет повышенные механические возможности.

Микроструктуры и текстуры направленного затвердевания, соответствующие ожидаемым условиям нагрузки, могут еще больше повысить эксплуатационные характеристики. С другой стороны, такие дефекты, как пористость или растрескивание, возникающие при неправильных параметрах печати, негативно влияют на свойства.

3d печать инконель Приложения

3D-печать расширяет сферу применения Inconel до более критичных к производительности приложений, требующих сложных форм, быстрой обработки или нестандартных сплавов, дополняя при этом традиционные субтрактивные технологии для более простых компонентов, не требующих предельного расхода материала.

Аэрокосмическая промышленность

Детали ракетных двигателей, лопатки турбин, топливные сопла и вкладыши для сгорания, изготовленные аддитивным способом, превосходят традиционно обрабатываемые суперсплавы в условиях экстремальных тепловых потоков и давления. Оптимизированные каналы охлаждения и более легкие консолидированные узлы.

Нефть и газ

Устьевое оборудование, скважинные инструменты, буровые долота и обсадные трубы выигрывают от повышенной износостойкости и коррозионной стойкости напечатанных компонентов из инконеля направленного затвердевания с геометрией и встроенными датчиками, которые сложно изготовить иным способом.

Производство электроэнергии

Трубки теплообменников, змеевики пароперегревателей и компоненты горячих секций газовых турбин имеют 2-4-кратный срок службы благодаря специально разработанным составам Inconel и сложным конформным каналам, охлаждающим критические зоны.

Автомобильная промышленность

Смешивание разнородных марок инконеля позволяет отдельным головкам цилиндров, объединяющим выпускные коллекторы, выдерживать температуру свыше 850°C без плавления и растрескивания, оптимизируя при этом потоки охлаждающей жидкости.

Появляющиеся приложения

Изготовленные на заказ медицинские и стоматологические имплантаты, микрофлюидные реакторы и теплоотводы, электроды для электролиза, а также нишевые аэрокосмические роли особенно выгодно отличает гибкость технологии Inconel AM.

Мировые поставщики и ценообразование

Целый ряд контрактных производителей, типографий, печатных бюро, поставщиков порошков, компаний-разработчиков программного обеспечения и отделочных материалов поддерживают производство печатных компонентов из инконеля по всему миру. Цены варьируются в зависимости от таких факторов, как объем заказа, требования к допускам, время выполнения заказа и требования к качеству.

Сметная стоимость деталей:

Печатные детали из инконеля варьируются от $50-500 за кубический дюйм в зависимости от сложности, расхода расходных материалов, сложности обработки по сравнению с обычными сплавами, такими как сталь или титан, и требуемого качества обработки. Большие объемы поставок значительно повышают экономию от масштаба.

Стандарты и спецификации

Разработка параметров печати на основе существующих стандартов обработки деформируемого инконеля помогает подобрать состав и базовые механические ожидания:

Однако специфические стандарты AM, охватывающие проектирование, квалификацию, испытания, сертификацию, обработку порошка и другие аспекты для печатных Inconel, все еще находятся в стадии разработки:

• ASTM F3055 - Стандартная спецификация для аддитивного производства никелевого сплава (UNS N06625) методом порошкового наплавления
• ASTM F3056 - Стандартная спецификация для аддитивного производства никелевого сплава (UNS N07718) методом порошкового наплавления
• ASME BPVC Раздел IX - квалификация по сварке, пайке и плавке
• AWS D20.1 - Изготовление металлических деталей с использованием аддитивного производства

Использование установленных марок деформируемых материалов в качестве исходного сырья при контроле вариативности процесса печати в соответствии с этими спецификациями обеспечивает неизменность свойств инконеля при печати.

Плюсы и минусы аддитивного производства инконеля

В целом, соотношение возможностей принтера с требованиями и стоимостью определяет оптимальные маршруты изготовления деталей из инконеля.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос: Какие существуют лучшие практики для повышения качества 3D-печатных деталей из инконеля?

О: Оптимизация параметров, управление порошком, вариации стратегии сканирования, адаптированные термические циклы, HIP и термообработка, обработка поверхности, компьютерная томография и всесторонние механические испытания - все это помогает преодолеть проблемы аддитивного процесса, обеспечивая надежную целостность напечатанного инконеля на протяжении всего эксплуатационного жизненного цикла.

Вопрос: Какой процесс печати позволяет получить более качественные детали из инконеля - лазерный или электронно-лучевой порошковый наплав?

О: Оба метода позволяют изготавливать детали из инконеля полной плотности, но лазер лучше справляется с обработкой поверхности, в то время как электронный луч позволяет получать детали с более высоким соотношением сторон, хотя и на более низких скоростях. Производительность также зависит от возможностей конкретного оборудования, таких как мощность луча, размер пятна, траектория растра, размер камеры и точность.

В: Как усталостная долговечность напечатанных деталей из инконеля сопоставима с традиционными компонентами?

О: В условиях высокоцикловой усталости аддитивно изготовленный инконель обычно соответствует или превосходит литые и деформируемые сплавы. Например, срок службы Inconel 718 в 6-8 раз выше, чем у литья. Однако в условиях сложной термомеханической усталости дефекты, контролирующие разрушение, позволяют сократить или увеличить срок службы в зависимости от уровня оптимизации по сравнению с другими процессами.

Вопрос: Можно ли 3D-печатать нестандартные сплавы Inconel, помимо распространенных марок, таких как 625 и 718?

О: Да, отдел исследований и разработок часто разрабатывает специальные порошковые смеси, улучшающие такие свойства, как жесткость, прочность, пластичность, износостойкость, поведение при высоких температурах и коррозионную стойкость, путем контролируемого добавления таких элементов, как вольфрам, тантал, кобальт, алюминий, углерод и других в пределах параметров семейства Inconel.

В: Какие события приведут к дальнейшему росту использования компонентов Inconel, изготовленных аддитивным способом?

О: Более быстрое оборудование, снижающее производственные затраты, гибридное производство, сочетающее AM и субтрактивные технологии в одной системе, усовершенствованный мониторинг в процессе и контроль в замкнутом цикле для минимизации дефектов, расширенные варианты сплавов, более полные проектные данные и строгие квалификационные стандарты, специально предназначенные для печатных Inconel, - все это расширит внедрение.

узнать больше о процессах 3D-печати