Drukowanie 3D proszku metalu niklu In625 dla komponentów turbin lotniczych

1. Wprowadzenie

Superstopy na bazie niklu, w szczególności Inconel 625 (In625), są szeroko stosowane w zastosowaniach lotniczych ze względu na ich wyjątkową wytrzymałość w wysokich temperaturach, odporność na korozję i odporność na zmęczenie. Produkcja addytywna (AM) lub drukowanie 3D, umożliwia produkcję złożonych komponentów turbin lotniczych przy zmniejszonej ilości odpadów materiałowych i poprawionej elastyczności projektowania.

Ten szczegółowy opis obejmuje właściwości proszku metalu In625, procesy drukowania 3D, obróbkę końcową i zastosowania w turbinach lotniczych.

2. Właściwości proszku metalu Inconel 625 (In625)

In625 to superstop niklowo-chromowo-molibdenowy o następujących kluczowych cechach:

Skład chemiczny (ASTM B443)

Właściwości mechaniczne i termiczne

• Wytrzymałość na rozciąganie: 930 MPa (w temperaturze pokojowej)

• Granica plastyczności: 517 MPa

• Wydłużenie: 42.5%

• Gęstość: 8.44 g/cm³

• Temperatura topnienia: 1290 - 1350°C

• Odporność na utlenianie: Doskonała do 980°C

• Odporność na korozję: Odporny na korozję wżerową, szczelinową i środowiska słonowodne

Charakterystyka proszku do drukowania 3D

• Rozkład wielkości cząstek: 15 - 45 µm (dla LPBF) lub 45 - 106 µm (dla DED)

• Morfologia: Kulista (dla optymalnej płynności)

• Metoda produkcji proszku: Atomizacja gazowa (argon lub azot)

• Płynność: ≤ 25 s/50g (test Hall Flowmeter)

• Gęstość nasypowa: ≥ 4.5 g/cm³

3. Procesy drukowania 3D dla In625 w turbinach lotniczych

Najbardziej powszechne metody drukowania 3D metali dla In625 obejmują:

A. Topienie w warstwie proszku laserem (LPBF / SLM)

• Proces: Laser dużej mocy selektywnie topi proszek In625 warstwa po warstwie.

• Zalety:

  • Wysoka precyzja (± 0.05 mm)

  • Dobre wykończenie powierzchni (Ra 5 - 15 µm)

  • Odpowiedni dla złożonych wewnętrznych kanałów chłodzenia w łopatkach turbin

• Typowe parametry:

  • Moc lasera: 200 - 400 W

  • Grubość warstwy: 20 - 50 µm

  • Prędkość skanowania: 800 - 1200 mm/s

  • Szybkość budowy: 5 - 20 cm³/h

B. Depozycja energii kierunkowej (DED / LENS)

• Proces: Laser lub wiązka elektronów topi proszek In625 w miarę jego osadzania.

• Zalety:

  • Wyższe tempo osadzania (50 - 200 cm³/h)

  • Odpowiedni dla dużych komponentów turbin i napraw

• Typowe parametry:

  • Moc lasera: 500 - 2000 W

  • Szybkość podawania proszku: 5 - 20 g/min

C. Topienie wiązką elektronów (EBM)

• Proces: Wykorzystuje wiązkę elektronów w próżni do topienia proszku In625.

• Zalety:

  • Zmniejszone naprężenia resztkowe (ze względu na wysoką temperaturę wstępnego podgrzewania)

  • Szybsze tempo budowy niż LPBF

• Typowe parametry:

  • Prąd wiązki: 5 - 50 mA

  • Napięcie przyspieszające: 60 kV

  • Grubość warstwy: 50 - 100 µm

4. Obróbka końcowa dla komponentów turbin lotniczych

Aby spełnić rygorystyczne wymagania lotnicze, obróbka końcowa jest niezbędna:

A. Obróbka cieplna

• Odprężanie: 870°C przez 1 godzinę (chłodzenie powietrzem)

• Wyżarzanie ujednolicające: 1150°C przez 1 godzinę (hartowanie wodą)

• Starzenie (jeśli wymagane): 700 - 800°C przez 8 - 24 godziny

B. Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP)

• Cel: Eliminuje wewnętrzną porowatość (poprawia żywotność zmęczeniową)

• Parametry: 1200°C przy 100 - 150 MPa przez 4 godziny

C. Obróbka skrawaniem i wykańczanie

• Obróbka CNC: Dla elementów o ścisłej tolerancji

• Wykończenie powierzchni: Polerowanie elektrochemiczne lub obróbka strumieniowo-ścierna dla gładszych powierzchni

• Badania nieniszczące (NDT): Tomografia rentgenowska, badania ultradźwiękowe lub kontrola penetracyjna

5. Zastosowania w turbinach lotniczych

Drukowane 3D In625 jest używane w krytycznych komponentach turbin, w tym:

• Łopatki i kierownice turbin (z wewnętrznymi kanałami chłodzenia)

• Wkłady komór spalania (odporność na ciepło i korozję)

• Dysze wylotowe (stabilność w wysokich temperaturach)

• Dysze paliwowe (silnik LEAP firmy GE Aviation wykorzystuje drukowane 3D In625)

• Naprawa zużytych części turbin (przez DED)

Korzyści w porównaniu z tradycyjną produkcją

✔ Redukcja masy (struktury kratowe i optymalizacja topologii)
✔ Szybsza produkcja (brak potrzeby stosowania złożonych narzędzi)
✔ Poprawiona wydajność (zoptymalizowane kanały chłodzenia)
✔ Oszczędność materiału (produkcja bliska kształtowi netto)

6. Wyzwania i przyszłe trendy

Wyzwania:

• Wysoki koszt proszku In625 

• Naprężenia resztkowe i zniekształcenia (wymaga odpowiedniej obróbki cieplnej)

• Limity ponownego użycia proszku (zazwyczaj 5 - 10 cykli przed degradacją)

Przyszłe trendy:

• Optymalizacja procesów oparta na sztucznej inteligencji (dla drukowania bez wad)

• Produkcja hybrydowa (łączenie AM z obróbką CNC)

• Rozwój nowych stopów (warianty wysokotemperaturowe)