Inconel verwijst naar een familie superlegeringen op basis van nikkel-chroom die bekend staan om hun hittebestendigheid, corrosiebestendigheid en drukbestendigheid. 3D-printen van Inconel biedt meer ontwerpvrijheid en betere mechanische eigenschappen dan conventionele productiemethoden voor industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, energie en de auto-industrie.
Overzicht inconel 3d printen
Inconel superlegeringen zijn nikkel-chroom materialen versterkt door toevoegingen van ijzer, niobium, molybdeen en andere elementen. Hun opmerkelijke temperatuur-, corrosie- en vermoeiingsbestendigheid maken Inconel geschikt voor veeleisende toepassingen.
3D-printen met poederbedfusietechnieken biedt nieuwe mogelijkheden om complexe Inconel onderdelen te maken met fijnere korrels en superieure sterkte in vergelijking met traditionele methoden. De belangrijkste voordelen zijn:
- Fabricage van complexe, lichtgewicht geometrieën
- Verbeterd trek- en vermoeidheidsgedrag
- Hogere precisie en ontwerpflexibiliteit
- Kortere doorlooptijden en lagere volumes
- Mogelijkheid om geoptimaliseerde roosterstructuren te maken
- Ongelijke materialen combineren in één onderdeel
Ondanks de voordelen moeten uitdagingen zoals restspanning, risico's op porositeit en nabewerking worden aangepakt om Inconel componenten van hoge kwaliteit te kunnen printen.
Over het geheel genomen maakt additieve productie innovatieve Inconel-toepassingen mogelijk in warmtewisselaars, verbrandingshardware, onderdelen voor de ruimtevaart, biomedische implantaten en andere niches die extreem duurzaam moeten zijn.
Samenstelling inconel 3d printen
Inconel is een breed superlegeringmerk dat verwijst naar meer dan twee dozijn precipitatiegeharde nikkelgebaseerde materialen die ontworpen zijn voor veeleisende hitte-, corrosie- en druktoepassingen.
Hun hoge nikkelgehalte vormt een austenitische FCC-kristalstructuur die de vaste oplossing versterkt. Toegevoegde elementen zoals chroom, ijzer, niobium, molybdeen, aluminium en titanium vergemakkelijken precipitatieharding voor betere mechanische prestaties.
Typische samenstellingen:
| Element | Samenstelling (% gewicht) |
|---|---|
| Nikkel (Ni) | 50-80% |
| Chroom (Cr) | 10-25% |
| Ijzer (Fe) | 0-50% |
| Niobium (Nb) | 0-5% |
| Molybdeen (Mo) | 0-9% |
| Aluminium (Al) | 0-6% |
| Kobalt (Co) | 0-2% |
| Titaan (Ti) | 0-5% |
| Wolfraam (W) | 0-7% |
| Koolstof (C) | 0-0.2% |
Specifieke Inconel-kwaliteiten hebben een strakker legeringsbereik voor nichetoepassingen. Bijvoorbeeld:
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
Effecten van belangrijke legeringselementen:
- Nikkel - dominant element dat corrosiebestendigheid en taaiheid biedt
- Chroom - Oxidatieweerstand en hardheid door vorming van Cr-oxiden
- Niobium - carbidevormer cruciaal voor precipitatieversterking
- Molybdeen - Versteviger in vaste oplossing
- IJzer - Draagt bij tot verharding in vaste oplossing
- Aluminium + titanium - vormen gamma-priem precipitaten om legeringen drastisch te versterken
inconel 3d printen Eigenschappen
Inconel-materialen bieden een uitzonderlijke combinatie van hittebestendigheid, corrosieprestaties, hoge sterkte en een uitstekende vermoeiingslevensduur die veel beter is dan die van standaard roestvast staal. Dit maakt ze geschikt voor extreme eisen ondanks hun hogere kosten.
Fysieke eigenschappen
- Dikte - Bereiken van 7,9-8,5 g/cm3
- Smeltpunt - 1300-1450°C afhankelijk van exacte samenstelling
- Elektrische weerstand - Bereik van 70-94 μΩ-cm
- Warmtegeleiding - Zwakker bij 10-20 W/m-K
- Uitzettingscoëfficiënt - Ongeveer 13-16 (μm/m)/°C
Mechanische eigenschappen
- Treksterkte - 500-1500 MPa
- Opbrengststerkte - 240-1200 MPa
- Verlenging – 10-55%
- Hardheid - Rockwell B 80-150
- Elasticiteitsmodulus - 150-210 GPa
- Breuktaaiheid - 100-300 MPa-m^1/2^
Prestatiegrenzen
- Maximale bedrijfstemperatuur - 650-1100°C
- Oxiderende weerstand - Tot 900-1100°C in lucht
- Weerstand tegen waterige corrosie - Breed scala aan media
- Weerstand tegen sulfidering - Continu 500-900°C
Vermoeidheid sterkte
Een groot voordeel van Inconel is de uitstekende vermoeiingsprestatie die zelfs onder thermische en mechanische belasting behouden blijft. Inconel 718 biedt bijvoorbeeld indrukwekkende breuklevensduren van meer dan 100.000 uur bij temperaturen rond 700 °C.
Additieve productiemethoden
Inconel kan 3D-geprint worden met poederbedfusietechnieken waarbij een laser- of elektronenbundel opeenvolgende lagen metaalpoeder samensmelt op basis van digitale modelsecties. Dit maakt complexe Inconel geometrieën mogelijk die onbereikbaar zijn via subtractieve methoden.
De twee meest gebruikte technologieën zijn:
Laserpoederbedfusie (L-PBF)
Ook bekend als DMLS (Direct Metal Laser Sintering) waarbij een krachtige laser poederbedden scant om selectief delen te smelten die overeenkomen met de doorsnede van het onderdeel, waarbij de deeltjes aan elkaar worden gehecht na snelle stolling.
Elektronenbundel poederbedfusie (E-PBF)
Een elektronenbundel levert de energiebron met hoge dichtheid om poederlagen samen te smelten op basis van de geometrie van het CAD-model. De bouwomgeving bevindt zich in vacuüm, waardoor verstrooiing van de bundel geëlimineerd wordt.
L-PBF is toegankelijker en sneller, terwijl E-PBF beter sterk reflecterende materialen zoals aluminium- of koperlegeringen kan verwerken. Beide methoden maken het mogelijk om legeringen te mengen binnen één geprint onderdeel.
Procesoverwegingen
Uitdagingen die specifiek zijn voor Inconel AM zijn onder andere hoge thermische spanningen die leiden tot scheurvorming en vervorming, intrinsieke restspanningen die de geometrie beperken, as-print ruwheid die nabewerking vereist, complexiteit van parameterontwikkeling in vergelijking met staal en gebrek aan ontwerpgegevens.
Zorgvuldige optimalisatie van scanstrategie, temperatuur, bundelvermogen, arceerafstand, poederkenmerken, thermisch beheer en nabewerking is nodig om de beoogde mechanische prestaties te bereiken.
inconel 3d printen Cijfers afdrukken
De meest gedrukte smeedbare Inconel-varianten zijn Inconel 625 en Inconel 718, goed voor meer dan 75% gebruik, gevolgd door Inconel 800, Inconel 686 en speciale soorten voor nichetoepassingen.
Inconel 625
Het werkpaard nikkel-chroom-molybdeenlegering biedt sterkte met uitstekende soldeer- en corrosieprestaties, zelfs bij extreme temperaturen tot 980 °C. Gebruikt voor verbrandingsbussen, motorkleppen, warmtewisselaars en hardware voor chemische processen.
Inconel 718
Nikkelstaal van ruimtevaartkwaliteit met een uitzonderlijke vloeigrens tot 1.200 MPa en het vermogen om eigenschappen te behouden bij langdurig gebruik bij 650°C. De hoge sterkte, taaiheid en weerstand tegen vermoeiing maken dit de gouden standaard superlegering voor vlieghardware zoals turbinebladen en schijven.
Inconel 800
IJzer-nikkel-chroomlegering met uitzonderlijke weerstand tegen carbonisatie en oxidatie tot 1150°C. Gebruikt in buizen voor oververhitters, warmtebehandelingsapparatuur, gestookte verwarmingstoestellen enz.
Inconel 686
Een modificatie van Inconel 625 ontworpen voor betere interkristallijne corrosie en putprestaties door toevoeging van wolfraam en molybdeen. Gebruikt in rookgasontzwavelingssystemen en nucleaire stoomgeneratoren.
Aangepaste cijfers
O&O voor hoogwaardige toepassingen mengt Inconel met carbiden, legeringen met een hoge entropie of andere deeltjes om eigenschappen zoals kruip-, vermoeidheids-, slijtage- of corrosiebestendigheid verder te verbeteren.
inconel 3d printen Mechanische prestaties
Over het algemeen vertoont additief vervaardigd Inconel een beter trek- en vermoeiingsgedrag dan gegoten of gesmeed Inconel.
3D-geprinte Inconel 718 vertoont bijvoorbeeld meer dan 30% hogere vloei- en treksterkte in vergelijking met conventioneel verwerkt materiaal, terwijl de vervormbaarheid boven 10% rek blijft.
Typische mechanische eigenschappen van gangbare gedrukte Inconel-kwaliteiten
| Legering | Uiteindelijke treksterkte (MPa) | Opbrengststerkte (MPa) | Verlenging (%) |
|---|---|---|---|
| Inconel 625 | 860-980 | 500-690 | 40-55 |
| Inconel 718 | 1250-1300 | 1050-1160 | 12-25 |
| Inconel 800 | 450-760 | 240-550 | 30-60 |
De verhoogde sterkte komt voort uit een aanzienlijke korrelverfijning tot 5-10 micron voor bedrukt Inconel (in plaats van de ASTM-gemiddelde korrelgrootte >50 micron voor gesmeed Inconel). Deze Hall-Petch versterking in combinatie met enkele behouden intermetallische fasen verklaart de verbeterde mechanische eigenschappen.
Richting gestolde microstructuren en texturen op maat van de verwachte belastingsomstandigheden kunnen de prestaties verder verbeteren. Aan de andere kant hebben defecten zoals porositeit of scheuren door onjuiste printparameters een negatieve invloed op de eigenschappen.
inconel 3d printen Toepassingen
3D-printen breidt het gebruik van Inconel uit naar meer prestatie-kritische toepassingen waarbij complexe vormen, snelle doorlooptijden of aangepaste legeringen nodig zijn, terwijl het een aanvulling vormt op conventionele subtractieve technieken voor eenvoudigere componenten waarbij de materiaalgrenzen niet worden overschreden.
Lucht- en ruimtevaart
Raketvoortstuwingsonderdelen, turbinebladen, brandstofstraalpijpen en verbrandingsvoeringen die additief zijn gefabriceerd, presteren beter dan traditioneel bewerkte superlegeringen onder extreme hittefluxen en druk. Geoptimaliseerde koelkanalen en lichtere geconsolideerde assemblages worden ook gerealiseerd.
Olie en gas
Boorkophardware, boorgatgereedschap, boorbits en behuizingen profiteren van de verbeterde slijtvastheid en corrosiebestendigheid van geprinte, richtinggestevigde Inconel componenten met geometrieën en geïntegreerde sensoren die anders moeilijk te produceren zijn.
Stroomopwekking
Warmtewisselaarbuizen, oververhitters en hete onderdelen van gasturbines gaan 2-4x langer mee dankzij de op maat gemaakte Inconel-samenstellingen en ingewikkelde conforme kanalen voor het koelen van kritieke gebieden.
Automobiel
Door verschillende Inconel-kwaliteiten te mengen, kunnen afzonderlijke cilinderkoppen met geïntegreerde uitlaatspruitstukfunctionaliteit temperaturen van meer dan 850 °C verdragen zonder te smelten of te barsten, terwijl de koelmiddelstromen worden geoptimaliseerd.
Opkomende toepassingen
Medische en tandheelkundige implantaten op maat, microfluïdische reactoren en koellichamen, elektroden voor elektrolyse en nichefuncties in de ruimtevaart maken vooral gebruik van de flexibiliteit van Inconel AM.
Wereldwijde leveranciers en prijzen
Een reeks contractfabrikanten, metaalprinters, printbureaus, poederleveranciers, softwarebedrijven en onderdelenafwerkers ondersteunen wereldwijd de productie van geprinte Inconel-onderdelen. Prijzen variëren op basis van factoren zoals ordervolume, tolerantievereisten, doorlooptijd en kwaliteitsbehoeften.
| Bedrijf | Locatie hoofdkantoor |
|---|---|
| Renishaw | Groot-Brittannië |
| GE-additief | ONS |
| 3D-systemen | ONS |
| EOS | Duitsland |
| Velo3D | ONS |
| Timmerman additief | ONS |
| Protolabs | ONS |
| Materialiseren | België |
| Hogenäs | Zweden |
| Aubert & Duval | Frankrijk |
Geschatte onderdeelkosten:
Inconel geprinte onderdelen variëren van $50-500 per kubieke inch gebaseerd op complexiteit, verbruiksgoederen, verwerkingsmoeilijkheden in vergelijking met conventionele legeringen zoals staal of titanium, en vereiste afwerkingskwaliteit. Verbintenissen voor grote volumes verbeteren de schaalvoordelen aanzienlijk.
Normen en specificaties
De ontwikkeling van printparameters op basis van bestaande Inconel verwerkingsnormen voor smeedproducten helpt om de samenstelling en mechanische basisverwachtingen op elkaar af te stemmen:
| Standaard | Organisatie | Rangen |
|---|---|---|
| AMS 5662 | SAE | Inconel 625 |
| AMS 5663 | SAE | Inconel 718 |
| AMS 2875 | SAE | Inconel X-750 |
AM-specifieke normen voor ontwerp, kwalificatie, testen, certificering, poederbehandeling en andere overwegingen voor geprint Inconel zijn echter nog in ontwikkeling:
- ASTM F3055 - Standaardspecificatie voor additieve vervaardiging van nikkellegering (UNS N06625) met poederbedfusie
- ASTM F3056 - Standaardspecificatie voor additieve vervaardiging van nikkellegering (UNS N07718) met poederbedfusie
- ASME BPVC Sectie IX - Kwalificaties voor lassen, solderen en smelten
- AWS D20.1 - Fabricage van metalen onderdelen met behulp van additive manufacturing
Door beproefde smeedkwaliteiten als grondstof te gebruiken en de variabiliteit in het drukproces af te zetten tegen deze specificaties, worden consistente Inconel-drukeigenschappen gegarandeerd.
Voor- en nadelen van additief vervaardigd Inconel
| Voordelen | Nadelen |
|---|---|
| - Verhoogde sterkte en duurzaamheid | - Hoge kosten van printers en inputmateriaal |
| - Complexe interne kenmerken zoals roosters | - Beperkt formaat gebaseerd op printer enveloppen |
| - Kortere fabricagetijden | - Lagere verwerkingscapaciteit in vergelijking met gieten/smeden |
| - Aangepaste legeringen en microstructuren | - Vaak aanzienlijke nabewerking vereist |
| - Conforme koelkanalen | - Anisotrope eigenschappen door laagdepositie |
| - Topologie geoptimaliseerde lichtgewicht onderdelen | - Restspanning en vervormingsrisico's |
| - Consolidatie van onderdelen in afzonderlijke componenten | - Kwalificatie- en certificeringsuitdagingen |
| - Verbeterde flexibiliteit van de toeleveringsketen | - Enkele mechanische eigenschappen gereduceerd vs. gesmeed |
| - Verkorte doorlooptijden en voorraden | - Voorzorgsmaatregelen voor het hanteren van los poeder |
| - Ontwerpvrijheid naast subtractieve methoden |
In het algemeen bepaalt het afwegen van de printermogelijkheden tegen de toepassingseisen en kosten de optimale routes voor de productie van Inconel-onderdelen.
FAQ
V: Wat zijn enkele best practices om de kwaliteit van 3D-geprinte Inconel onderdelen te verbeteren?
A: Parameteroptimalisatie, poederbeheer, variaties in scanstrategieën, thermische cycli op maat, HIP en warmtebehandelingen, oppervlakteafwerking, CT-scans en uitgebreide mechanische validatietests helpen allemaal om de uitdagingen van het additieve proces te overwinnen en zorgen voor een betrouwbare integriteit van het geprinte Inconel gedurende de gehele operationele levenscyclus.
V: Welk printproces produceert betere Inconel onderdelen - laser of elektronenbundel poederbedfusie?
A: Beide methoden maken Inconel-componenten met volledige dichtheid mogelijk, maar laser zorgt voor een betere oppervlakteafwerking terwijl elektronenbundel elementen met een hogere aspectratio mogelijk maakt, zij het bij lagere snelheden. De prestaties zijn ook afhankelijk van specifieke apparatuur zoals straalvermogen, spotgrootte, rasterpad, kamergrootte en precisie.
V: Hoe verhoudt de vermoeiingslevensduur van geprint Inconel zich tot traditioneel geproduceerde componenten?
A: Onder vermoeiingsomstandigheden met hoge cycli voldoet additief vervaardigd Inconel over het algemeen aan of overtreft het gegoten en gesmede legeringen. Inconel 718 heeft bijvoorbeeld een 6-8x langere levensduur dan gegoten legeringen. Maar onder complexe thermisch-mechanische vermoeiing zorgen defecten voor een kortere of langere levensduur, afhankelijk van het optimalisatieniveau ten opzichte van andere processen.
V: Kun je aangepaste Inconel-legeringen 3D-printen, behalve gangbare kwaliteiten zoals 625 en 718?
A: Ja, R&D ontwikkelt vaak speciale poedermengsels die eigenschappen als stijfheid, sterkte, ductiliteit, slijtvastheid, gedrag bij hoge temperaturen en corrosiebestendigheid verbeteren via gecontroleerde toevoegingen van elementen als wolfraam, tantaal, kobalt, aluminium, koolstof en andere binnen de parameters van de Inconel-familie.
V: Welke ontwikkelingen zullen het gebruik van additief geproduceerde Inconel-onderdelen verder doen toenemen?
A: Snellere apparatuur die de productiekosten verlaagt, hybride fabricage die AM combineert met subtractieve technieken in één systeem, geavanceerde procesbewaking en gesloten regelkring om defecten te minimaliseren, uitgebreide legeringopties, completere ontwerpgegevens en strenge kwalificatienormen die specifiek gericht zijn op geprint Inconel, zullen allemaal de adoptie vergroten.
