3D-печать из инконеля 718

Обзор

Инконель 718 - высокопрочный никель-хромовый суперсплав, широко применяемый в экстремальных температурных условиях, например, в компонентах газовых турбин, ракетных двигателей и ядерных реакторов. Сочетание превосходных механических свойств, коррозионной стойкости и обрабатываемости делает инконель 718 универсальным материалом для таких отраслей промышленности, как аэрокосмическая, нефтегазовая, энергетика и автомобилестроение.

В последние годы аддитивное производство (АП) инконеля 718 стало передовым методом изготовления сложных высокопроизводительных металлических деталей. Известный также как 3D-печать, метод AM создает детали послойно непосредственно на основе 3D-модели без ограничений, связанных с традиционной механической обработкой или литьем.

В данном руководстве подробно рассматриваются 3D-печать из инконеля 718В нем рассматриваются свойства сплава, популярные виды AM-процессов, параметры, микроструктуры, механическое поведение, последующая обработка, области применения и поставщики. Она призвана помочь инженерам, конструкторам и руководителям технических программ в реализации 3D-печати Inconel 718 и квалификации напечатанных деталей для использования в производстве.

Обзор сплава Inconel 718

Inconel 718 - это никель-хромовый сплав, закаленный осаждением, содержащий такие важные легирующие элементы, как ниобий, молибден, алюминий и титан.

Состав Inconel 718

Никель и хром обеспечивают коррозионную стойкость и устойчивость к высоким температурам. Такие упрочняющие элементы, как ниобий и молибден, обеспечивают высокую прочность за счет механизмов упрочнения осаждением и твердым раствором.

Свойства инконеля 718

• Отличная прочность до 700°C.
• Высокая ударная вязкость и усталостная прочность
• Хорошая стойкость к окислению и коррозии
• Высокий предел прочности при разрыве при ползучести
• Легко формируется и сваривается стандартными методами
• Плотность 8,19 г/см3

Такое сочетание свойств делает Inconel 718 пригодным для работы в экстремальных условиях, выходящих за рамки возможностей сталей и алюминиевых сплавов.

3D-печать из инконеля 718 Процессы

Несколько процессов аддитивного производства продемонстрировали успешную работу с Inconel 718 и находят все большее применение в производстве:

Популярные технологии AM для Inconel 718

L-PBF и E-PBF позволяют достичь плотности более 99,5%, а по свойствам приближаются к деформируемому Inconel 718. Для достижения полной плотности методом DED и струйного нанесения связующего требуется последующая обработка.

Каждый процесс требует оптимизации параметров печати для достижения желаемой микроструктуры и свойств.

Параметры 3D-печати Inconel 718

Параметры печати существенно влияют на получаемую микроструктуру, дефекты и механические характеристики напечатанных деталей из Inconel 718.

Основные параметры печати Inconel 718

Более тонкие слои и узкие люки повышают плотность и прочность склеивания, но снижают скорость сборки. Более быстрое сканирование дает более мелкое зерно, но может вызвать горячее растрескивание. Малые размеры порошка улучшают качество обработки поверхности.

Тщательная оптимизация параметров позволяет регулировать прочность зернистой структуры, пластичность, качество поверхности и производительность печати.

Микроструктуры Inconel 718 для 3D-печати

При печати с использованием AM-процессов инконель 718 демонстрирует разнообразные микроструктуры:

Микроструктурные особенности в напечатанном Inconel 718

• Столбчатые зерна, параллельные направлению роста
• Эпитаксиальные зерна, соответствующие ориентации базовой пластины
• Типичная ширина зерна 100-400 мкм
• Сегрегация при затвердевании между дендритными ядрами и междендритными областями
• Отсутствие текстуры по сравнению с коваными изделиями
• Осаждение упрочняющих фаз типа γ" и γ'
• Пористость и микротрещины от неполного расплавления

Морфология зерен соответствует тепловому потоку и характеру затвердевания в процессе печати. Сегрегация приводит к химическим изменениям, которые могут вызвать растрескивание. Для получения однородной, контролируемой микроструктуры необходима тщательная обработка.

Термическая обработка растворяет неблагоприятные фазы и способствует образованию упрочняющих преципитатов, таких как гамма-двойная прайма Ni3Nb, что обеспечивает оптимальную прочность.

Свойства печатного сплава Inconel 718

При соответствующей оптимизации AM-обработка позволяет достичь механических свойств, сопоставимых с деформируемым Inconel 718:

Механические свойства инконеля 718

Прочность соответствует или превышает деформируемый уровень, однако удлинение и усталостные свойства остаются более низкими и изменчивыми.

Анизотропия растяжения наблюдается между вертикальной и горизонтальной ориентациями сборки. Свойства в значительной степени зависят от конкретных параметров AM-процесса.

Постобработка напечатанного Inconel 718

Для улучшения качества поверхности, точности размеров и свойств материала часто требуются послепечатные процессы:

Общие методы постобработки

• Термическая обработка - Формирование оптимальной микроструктуры и закалка осадков
• Горячее изостатическое прессование - Закрывает внутренние пустоты и пористость
• Обработка поверхности - Снижение шероховатости поверхности для критических видов отделки
• Дробеструйное упрочнение - Индуцирование сжимающих напряжений для повышения усталостной долговечности
• Покрытия - При необходимости обеспечивают износостойкость или коррозионную стойкость

Обычно используется стандартная закалка Inconel 718, хотя некоторые модифицируют термообработку для получения микроструктур АМ. При жестких требованиях к чистоте поверхности используются механическая обработка, шлифование или полирование.

Области применения печатного сплава Inconel 718

3D-печать из инконеля 718 хорошо подходит для:

• Аэрокосмическая промышленность - Компоненты турбин, сопла ракет, узлы двигателей
• Производство электроэнергии - Детали горячих секций газовых турбин, оболочки ядерного топлива
• Автомобильная промышленность - Колеса и корпуса турбокомпрессоров
• Нефтехимия - Скважинные инструменты, клапаны, насосы
• Космос - Компоненты спутников и пусковых установок
• Лекарство - Зубные имплантаты, хирургические инструменты

Преимущества по сравнению с традиционными методами:

• Свобода проектирования для сложных геометрических форм
• Снижение веса за счет решетки и оптимизации топологии
• Консолидация деталей, сокращение сроков сборки
• Сокращение сроков изготовления продукции по требованию
• Индивидуальные формы, запасы с цифровым управлением

К ограничениям относятся стоимость процесса при небольших объемах производства и проблемы сертификации в регулируемых отраслях.

Поставщики печатных изделий из инконеля 718

Многие производители предлагают услуги по 3D-печати Inconel 718 по всему миру:

Выбор поставщиков услуг

Печать на Inconel 718 предлагают как крупные OEM-производители, так и нишевые сервисные бюро AM. Многие из них осуществляют вторичную обработку.

Стоимость деталей составляет примерно $100-500/фунт в зависимости от объема заказа, требований к качеству и используемого метода обработки.

Квалифицированные печатные детали из инконеля 718

Для аэрокосмической отрасли и других регулируемых применений применяются строгие квалификационные протоколы:

• Механические испытания при различных ориентациях печати
• Химический анализ на соответствие состава
• Неразрушающий контроль (NDE) для обнаружения дефектов
• Оценка долговременных характеристик путем термообработки, горячего изостатического прессования, испытаний механической обработкой
• Оценки воспроизводимости процессов
• Документация по оптимизации параметров, микроструктур, предотвращению дефектов

Такие артефакты испытаний, как растягивающие стержни, образцы усталости и купоны материалов, позволяют оптимизировать характеристики печатных свойств.

Соответствие действующим отраслевым спецификациям способствует сертификации и утверждению производства.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какой размер частиц рекомендуется для печати на Inconel 718?

Типичным является порошок толщиной 10-45 мкм, при этом более мелкий порошок толщиной ~15 мкм улучшает плотность и качество поверхности, но ухудшает текучесть и извлечение.

Чем вызвана пористость при печати Inconel 718?

Недостаточное плавление, отсутствие плавления между слоями и захваченный газ приводят к образованию пустот. Оптимизация энергозатрат, схемы сканирования, толщины слоев и потока газа позволяет уменьшить пористость.

Какая постобработка повышает усталостную прочность напечатанного Inconel 718?

Дробеструйное упрочнение создает благоприятные сжимающие напряжения, которые препятствуют зарождению и росту трещин. Упрочнение и механическая обработка также способствуют закрытию поверхностных пор.

Чем печатный Inconel 718 отличается от литого и кованого 718?

По своим механическим свойствам AM приближается к литым и кованым материалам, но имеет более тонкую, более сегрегированную микроструктуру. Термообработка позволяет достичь упрочнения осадкой, сравнимого с деформируемым изделием.

Какие существуют альтернативы Inconel 718 для 3D-печати?

Кобальтохромовые, никелевые суперсплавы типа 625 и 686, а также нержавеющие стали, упрочняющиеся осаждением, обладают аналогичными высокотемпературными свойствами. Титановые сплавы превосходят их там, где важна низкая плотность.

Можете ли вы 3D-печатать биметаллическую деталь из инконеля 718 и нержавеющей стали?

Да, направленное осаждение энергии позволяет переходить от одного разнородного сплава к другому путем точного переключения порошка или проволоки для создания деталей из нескольких материалов.

Заключение

Таким образом, 3D-печать Inconel 718 предоставляет исключительную свободу проектирования и улучшает эксплуатационные характеристики этого высокопрочного суперсплава. Соотнесение требований к детали с возможностями технологического процесса и оптимизация параметров печати являются ключевыми факторами для использования преимуществ по сравнению с традиционными методами. Постоянное улучшение качества, свойств, многоматериальных структур и стоимости продолжает расширять применение АМ-печати Inconel 718 в сложных промышленных областях.

узнать больше о процессах 3D-печати