3D-utskrift Inconel

Inconel är en familj av nickel-krombaserade superlegeringar som är kända för sin värme-, korrosions- och tryckbeständighet. 3D-printning av Inconel ger större designfrihet och bättre mekaniska egenskaper jämfört med konventionella tillverkningsmetoder för branscher som flyg-, energi- och fordonsindustrin.

Översikt 3d-utskrift av inconel

Inconels superlegeringar är nickel-krom-material som förstärks genom tillsats av järn, niob, molybden och andra element. Deras anmärkningsvärda temperatur-, korrosions- och utmattningsbeständighet gör Inconel lämpligt för krävande applikationer.

3D-utskrift med pulverbäddsfusionsteknik ger nya möjligheter att tillverka komplexa Inconel-detaljer med finare korn och överlägsen hållfasthet jämfört med traditionella metoder. Viktiga fördelar inkluderar:

• Tillverkning av komplexa lättviktsgeometrier
• Förbättrat drag- och utmattningsbeteende
• Högre precision och designflexibilitet
• Kortare ledtider och lägre volymer
• Möjlighet att skapa optimerade gitterstrukturer
• Kombination av olika material till en del

Trots fördelarna måste utmaningar som restspänning, porositetsrisker och efterbearbetning hanteras för kvalitetstryck av Inconel-komponenter.

Sammantaget öppnar additiv tillverkning upp för innovativa Inconel-tillämpningar i värmeväxlare, förbränningsutrustning, flygkomponenter, biomedicinska implantat och andra nischer som kräver hållbarhet i extrema miljöer.

Sammansättning 3d-utskrift av inconel

Inconel är ett brett varumärke för superlegeringar som omfattar över två dussin utskiljningshärdade nickelbaserade material som är konstruerade för krävande värme-, korrosions- och trycktillämpningar.

Den höga nickelhalten bildar en austenitisk FCC-kristallstruktur som ger hållfasthet genom solid lösning. Tillsatsämnen som krom, järn, niob, molybden, aluminium och titan underlättar utskiljningshärdning för förbättrad mekanisk prestanda.

Typiska sammansättningsområden:

Element	Sammansättning (vikt %)
Nickel (Ni)	50-80%
Krom (Cr)	10-25%
Järn (Fe)	0-50%
Niob (Nb)	0-5%
Molybden (Mo)	0-9%
Aluminium (Al)	0-6%
Kobolt (Co)	0-2%
Titan (Ti)	0-5%
Volfram (W)	0-7%
Kol (C)	0-0.2%

Specifika Inconel-kvaliteter har snävare legeringsintervall med inriktning på nischapplikationer. Till exempel:

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

Effekter av viktiga legeringselement:

• Nickel – dominerande element som ger korrosionsbeständighet och formbarhet
• Krom – Oxideringsbeständighet och hårdhet genom bildning av Cr-oxider
• Niob – Karbidbildare avgörande för förstärkning av utfällning
• Molybden – Förstärkare av fast lösning
• Järn – Bidrar till härdning i fast lösning
• Aluminium + titan – bildar gamma prime-utfällningar för att drastiskt stärka legeringar

3d-utskrift av inconel Fastigheter

Inconel-material erbjuder en exceptionell kombination av värmebeständighet, korrosionsegenskaper, hög hållfasthet och enastående utmattningshållfasthet som är långt bättre än hos vanliga rostfria stål. Detta gör dem lämpliga för extrema krav trots deras högre kostnad.

Fysikaliska egenskaper

• Täthet – varierar från 7,9-8,5 g/cm3
• Smältpunkt 1300-1450°C beroende på exakt sammansättning
• Elektrisk resistivitet – Område 70-94 μΩ-cm
• Termisk ledningsförmåga – Svagare vid 10-20 W/m-K
• Koefficient för termisk expansion – Cirka 13-16 (μm/m)/°C

Mekaniska egenskaper

• Draghållfasthet – 500-1500 MPa
• Sträckgräns – 240-1200 MPa
• Töjning – 10-55%
• Hårdhet – Rockwell B 80-150
• Elasticitetsmodul – 150-210 GPa
• Brottseghet – 100-300 MPa-m^1/2^

Gränser för prestanda

• Maximal driftstemperatur – 650-1100°C
• Oxideringsbeständighet – Upp till 900-1100°C i luft
• Korrosionsbeständighet i vattenlösning – Brett utbud av medier
• Beständighet mot sulfidering – Kontinuerlig 500-900°C

Utmattningshållfasthet

En stor fördel med Inconel är den enastående utmattningsprestandan som bibehålls även under termisk och mekanisk belastningscykling. Inconel 718 har t.ex. en imponerande livslängd på 100 000+ timmars brott vid temperaturer på närmare 700°C.

Additiva tillverkningsmetoder

Inconel kan 3D-printas med hjälp av pulverbäddsfusionstekniker där en laser- eller elektronstråle smälter samman successiva lager av metallpulver baserat på digitala modellsektioner. Detta möjliggör komplexa geometrier i Inconel som inte kan uppnås med subtraktiva metoder.

De två dominerande tekniker som används är:

Fusion av laserpulverbäddar (L-PBF)

Även känd som DMLS (Direct Metal Laser Sintering) där en högeffektslaser skannar pulverbäddar för att selektivt smälta områden som matchar detaljens tvärsnitt och binder samman partiklarna vid snabb stelning.

Fusion av pulverbäddar med elektronstråle (E-PBF)

En elektronstråle ger en energikälla med hög densitet för att smälta samman pulverlager baserat på CAD-modellens geometri. Byggmiljön är i vakuum, vilket eliminerar problem med strålspridning.

L-PBF är mer lättillgängligt och snabbare medan E-PBF bättre kan bearbeta högreflekterande material som aluminium- eller kopparlegeringar. Båda metoderna gör det möjligt att blanda legeringar i en enda tryckt komponent.

Processöverväganden

Utmaningar som är specifika för AM i Inconel är bland annat höga termiska spänningar som leder till sprickbildning och distorsion, inneboende restspänningar som begränsar geometrierna, tryckt grovhet som kräver efterbehandling, komplexitet i parameterutvecklingen jämfört med stål och brist på konstruktionsdata.

För att uppnå önskad mekanisk prestanda krävs noggrann optimering av skanningsstrategi, temperatur, stråleffekt, luckavstånd, pulveregenskaper, termisk hantering och efterbearbetning.

3d-utskrift av inconel Betyg i utskriftsformat

De vanligaste smidda Inconel-varianterna som trycks är Inconel 625 och Inconel 718 som står för över 75% av användningen, följt av Inconel 800, Inconel 686 och specialkvaliteter för nischapplikationer.

Inconel 625

Denna nickel-krom-molybdenlegering ger styrka med enastående lödbarhet och korrosionsegenskaper även vid extrema temperaturer upp till 980°C. Används för förbränningsbehållare, motorventiler, värmeväxlare och hårdvara för kemisk bearbetning.

Inconel 718

Nickelstål av flyg- och rymdkvalitet med exceptionell sträckgräns på upp till 1.200 MPa och förmåga att bibehålla sina egenskaper vid långvarig användning i 650°C. Dess höga hållfasthet, seghet och utmattningshållfasthet gör detta till den bästa superlegeringen för flygplansutrustning som turbinblad och skivor.

Inconel 800

Järn-nickel-kromlegering som ger exceptionell beständighet mot förgasning och oxidation i miljöer upp till 1150°C. Används i överhettningsrör, värmebehandlingsutrustning, eldade värmare etc.

Inconel 686

En modifiering av Inconel 625 som är utformad för förbättrad intergranulär korrosion och gropfrätning genom tillsats av volfram och molybden. Används i system för avsvavling av rökgaser och ånggeneratorer för kärnkraftverk.

Anpassade betyg

FoU för högvärdiga applikationer blandar Inconel med karbider, legeringar med hög entropi eller andra partiklar för att ytterligare förbättra egenskaper som kryp-, utmattnings-, nötnings- eller korrosionsbeständighet.

3d-utskrift av inconel Mekanisk prestanda

I allmänhet uppvisar additivt tillverkad Inconel förbättrat drag- och utmattningsbeteende jämfört med gjutna eller smidda motsvarigheter.

3D-printad Inconel 718 uppvisar t.ex. över 30% högre sträck- och draghållfasthet jämfört med konventionellt bearbetat material, samtidigt som duktiliteten är märkbar över 10% töjning.

Typiska mekaniska egenskaper för vanliga tryckta Inconel-kvaliteter

Legering	Slutlig draghållfasthet (MPa)	Sträckgräns (MPa)	Förlängning (%)
Inconel 625	860-980	500-690	40-55
Inconel 718	1250-1300	1050-1160	12-25
Inconel 800	450-760	240-550	30-60

Den ökade hållfastheten beror på en betydande kornförfining ned till 5-10 mikrometer för tryckt Inconel (istället för ASTM:s genomsnittliga kornstorlek på 50 mikrometer för smide). Denna Hall-Petch-förstärkning i kombination med vissa bibehållna intermetalliska faser förklarar förbättrade mekaniska egenskaper.

Mikrostrukturer och texturer av typen riktad stelning som är anpassade till förväntade belastningsförhållanden kan ytterligare förbättra prestandan. Å andra sidan har defekter som porositet eller sprickbildning på grund av felaktiga tryckparametrar en negativ inverkan på egenskaperna.

3d-utskrift av inconel Tillämpningar

3D-printing utökar användningen av Inconel till mer prestandakritiska applikationer som kräver komplexa former, snabba leveranser eller anpassade legeringar, samtidigt som det kompletterar konventionella subtraktiva tekniker för enklare komponenter som inte tänjer på materialgränserna.

Flyg- och rymdindustrin

Delar för raketframdrivning, turbinblad, bränslemunstycken och förbränningsliner som tillverkats additivt överträffar traditionellt bearbetade superlegeringar under extrema värmeflöden och tryck. Optimerade kylkanaler och lättare konsoliderade enheter realiseras också.

Olja och gas

Maskiner för borrhålshuvud, borrhålsverktyg, borrkronor och höljen drar nytta av förbättrad slitstyrka och korrosionsbeständighet hos tryckta riktningsstelnade Inconel-komponenter med geometrier och inbyggd sensorintegration som är svåra att tillverka på annat sätt.

Kraftgenerering

Värmeväxlarrör, överhettarspolar och komponenter i gasturbiners heta sektioner får 2-4 gånger längre livslängd tack vare skräddarsydda Inconel-sammansättningar och intrikata konforma kanaler som kyler kritiska områden.

Fordon

Genom att blanda olika Inconel-kvaliteter kan enskilda cylinderhuvuden som integrerar avgasgrenröret klara temperaturer på över 850°C utan att smälta eller spricka, samtidigt som kylvätskeflödet optimeras.

Nya tillämpningar

Specialanpassade medicinska och dentala implantat, mikrofluidiska reaktorer och kylflänsar, elektroder för elektrolys och nischade roller inom flyg- och rymdindustrin utnyttjar särskilt Inconel AM:s flexibilitet.

Globala leverantörer och prissättning

En rad kontraktstillverkare, metalltryckare, tryckerier, pulverleverantörer, programvaruföretag och efterbehandlare stöder produktionen av tryckta Inconel-komponenter globalt. Priserna varierar beroende på faktorer som ordervolym, toleranskrav, ledtid och kvalitetsbehov.

Företag	Huvudkontorets placering
Renishaw	STORBRITANNIEN
GE Additiv	USA
3D-system	USA
EOS	Tyskland
Velo3D	USA
Snickare Tillsats	USA
Protolabs	USA
Materialisera	Belgien
Höganäs	Sverige
Aubert & Duval	Frankrike

Beräknade kostnader för delar:

Inconel tryckta delar sträcker sig från 50-500 dollar per kubiktum baserat på komplexitet, förbrukning av förbrukningsartiklar, bearbetningssvårigheter i förhållande till konventionella legeringar som stål eller titan samt önskad ytkvalitet. Åtaganden i stora volymer förbättrar stordriftsfördelarna avsevärt.

Standarder och specifikationer

Utveckling av tryckparametrar som styrs av befintliga standarder för bearbetning av Inconel-smide hjälper till att matcha sammansättning och grundläggande mekaniska förväntningar:

Standard	Organisation	Omfattade årskurser
AMS 5662	SAE	Inconel 625
AMS 5663	SAE	Inconel 718
AMS 2875	SAE	Inconel X-750

AM-specifika standarder som omfattar design, kvalificering, testning, certifiering, pulverhantering och andra överväganden för tryckt Inconel är dock fortfarande under utveckling:

• ASTM F3055 – Standardspecifikation för additiv tillverkning av nickellegering (UNS N06625) med pulverbäddsfusion
• ASTM F3056 – Standardspecifikation för additiv tillverkning av nickellegering (UNS N07718) med pulverbäddsfusion
• ASME BPVC Section IX – Kvalifikationer för svetsning, hårdlödning och smältning
• AWS D20.1 – Tillverkning av metallkomponenter med hjälp av additiv tillverkning

Genom att använda etablerade smideskvaliteter som råmaterial och samtidigt kontrollera variationen i tryckprocessen mot dessa specifikationer säkerställs konsekventa tryckta Inconel-egenskaper.

För- och nackdelar med additivt tillverkad Inconel

Fördelar	Nackdelar
– Ökad styrka och hållbarhet	– Höga kostnader för skrivare och insatsmaterial
– Komplexa inre egenskaper som gitter	– Begränsad storlek baserat på skrivarens kuvert
– Kortare tillverkningstider	– Lägre genomströmning i förhållande till gjutning/smide
– Anpassade legeringar och mikrostrukturer	– Betydande efterbearbetning krävs ofta
– Konforma kylkanaler	– Anisotropa egenskaper från skiktdeponering
– Topologioptimerade lättviktsdelar	– Restspänning och distorsionsrisker
– Konsolidering av delar till enskilda komponenter	– Kvalificerings- och certifieringsutmaningar
– Förbättrad flexibilitet i leveranskedjan	– Vissa mekaniska egenskaper reducerad vs smidd
– Minskade ledtider och lagerhållning	– Försiktighetsåtgärder vid hantering av löst pulver
– Designfrihet bortom subtraktiva metoder

I allmänhet avgörs den optimala vägen för tillverkning av Inconel-komponenter av en avvägning mellan skrivarens kapacitet och applikationens krav och kostnader.

VANLIGA FRÅGOR

Fråga: Vilka är de bästa metoderna för att förbättra kvaliteten på 3D-utskrivna Inconel-delar?

S: Parameteroptimering, pulverhantering, variationer i skanningsstrategi, skräddarsydda termiska cykler, HIP- och värmebehandlingar, ytfinish, CT-skanning och omfattande mekaniska valideringstester bidrar alla till att övervinna utmaningarna med additiv tillverkning och säkerställa tillförlitlig integritet för tryckt Inconel under hela livscykeln.

F: Vilken tryckprocess ger bättre Inconel-delar – laser- eller elektronstrålepulverbäddfusion?

S: Båda metoderna möjliggör Inconel-komponenter med full densitet, men lasern ger bättre ytfinish medan elektronstrålen möjliggör funktioner med högre bildförhållande, men i långsammare hastigheter. Prestanda beror också på specifik utrustningskapacitet som strålkraft, spotstorlek, rasterbana, kammarens storlek och precision.

F: Hur är utmattningslivslängden för tryckt Inconel jämfört med traditionellt tillverkade komponenter?

S: Under utmattningsförhållanden med höga cykler uppfyller eller överträffar additivt tillverkad Inconel i allmänhet gjutna och smidda legeringar. Till exempel visar Inconel 718 6-8x längre livslängd jämfört med gjutning. Men under komplex termisk-mekanisk utmattning ger defekter som styr fel antingen kortare eller längre livslängd beroende på optimeringsnivå i förhållande till andra processer.

Fråga: Kan man 3D-printa anpassade Inconel-legeringar utöver vanliga kvaliteter som 625 och 718?

S: Ja, R&D utvecklar ofta specialpulverblandningar som förbättrar egenskaper som styvhet, styrka, duktilitet, slitstyrka, högtemperaturbeteende och korrosionsbeständighet genom kontrollerade tillsatser av element som volfram, tantal, kobolt, aluminium, kol och andra inom Inconel-familjens parametrar.

Q: Vilken utveckling kommer att öka användningen av additivt tillverkade Inconel-komponenter ytterligare?

S: Snabbare utrustning som minskar produktionskostnaderna, hybridtillverkning som kombinerar AM med subtraktiva tekniker i ett system, avancerad processövervakning och sluten styrning för att minimera defekter, utökade legeringsalternativ, mer kompletta konstruktionsdata och strikta kvalificeringsstandarder som specifikt riktar sig till tryckt Inconel kommer att öka användningen.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser