Inconel 718:een werkpaardmateriaal voor additieve productie
Onze blogpostserie Materials Science toont veelgebruikte productiematerialen, hun eigenschappen en andere relevante kenmerken. In dit bericht wordt ingegaan op het materiaal voor additive manufacturing, Inconel 718, en worden de eigenschappen en veelgebruikte additieve toepassingen van deze op nikkel gebaseerde superlegering onderzocht.
Wat is Inconel?
Inconel wordt beschouwd als een 'superlegering'. In de nasleep van de Tweede Wereldoorlog ontstond de term superlegering om een groep hoogwaardige legeringen te beschrijven die werden ontwikkeld om de levensduur te verlengen van vliegtuigonderdelen die worden blootgesteld aan extreme hitte.
Deze verbrandingsvoering gemaakt voor een lucht- en ruimtevaart-OEM is additief vervaardigd met Inconel 718. Legeringen zijn een mengsel van metalen die worden gecombineerd om een supermix van metaaleigenschappen te verkrijgen, zoals sterkte en corrosiebestendigheid. Superlegeringen, ook wel hoogwaardige legeringen, hittebestendige legeringen of legeringen voor hoge temperaturen genoemd, zijn basismaterialen voor verschillende industrieën, zoals ruimtevaart, petrochemie, autoraces en olie en gas.
Inconel 718, dat in 1965 werd opgeschaald naar massaproductie, is een bekend werkpaard van nikkel-chroom voor de additive manufacturing-industrie. Door de Carnot-cyclus, of de meest efficiënte warmtemotorcyclus, in te koken, resulteert een hetere verbranding in energie-efficiëntie. Energiezuinigheid resulteert in brandstofzuinigheid.
Daarom zijn superlegeringen, zoals Inconel 718, zo cruciaal voor efficiënte en kosteneffectieve ontwerpen. Hun stabiliteit in extreme omgevingen en hun vermogen om bestand te blijven tegen corrosie, kruip en thermische schokken, maken ze tot ideale kandidaten voor de lucht- en ruimtevaartindustrie.
Deze grafiek toont de specifieke sterkte van hoogwaardige materialen. Afbeelding afkomstig van laserchirp.com Deze superlegering van nikkel-chroom-molybdeen wordt gebruikt in hete onderdelen van turbineschoepen, leidingsystemen en motoruitlaatsystemen. In feite is 50% van de materialen die worden gebruikt in vliegtuig- en raketmotoren, op nikkel gebaseerde superlegeringen.
Inconel 718 en vergelijkbare legeringen worden ook aangetroffen in niet-vliegtuig- en rakettoepassingen. Chemische en petrochemische fabrieken (vaten, pompen, kleppen, leidingen), elektriciteitscentrales (industriële gasturbines), onderzeeërs (schroefbladen, snelkoppelingen, hulpvoortstuwingsmotoren), kernreactoren (warmtewisselaarbuizen, fittingen) en de olie- en gasindustrie (downhole tubulars, well-head hardware, flare booms) dragen bij aan de productie en het productiegebruik van Inconel 718.
Cryogene toepassingen maken ook gebruik van Inconel 718 vanwege zijn vermogen om brosse breuk te weerstaan bij zeer lage temperaturen.
Inconel versus titanium versus staal
Zoals weergegeven in de bovenstaande grafiek, kunnen op nikkel gebaseerde legeringen zoals Inconel 718 de juiste materiaalkandidaat zijn boven titanium of staal als het gaat om prestaties in omgevingen met extreme temperaturen. Geoxideerde beschermlagen in legeringen op basis van nikkel verhogen de mechanische prestaties verder. De onderstaande tabellen geven een overzicht van de eigenschappen van Inconel 718, roestvrij staal en titanium. Meer details over al onze materialen bij Protolabs vindt u in onze Materials Comparison Guide.
EIGENSCHAPPEN VAN ADDITIEF INCONEL 718
VOORWAARDE
UT
0,2% opbrengst
Verlenging (%)
Hardheid (HRC)
EIGENSCHAPPEN VAN ADDITIEF 17-4 PH ROESTVRIJ STAAL
VOORWAARDE
UT
0,2% opbrengst
Verlenging (%)
Hardheid (HRC)
EIGENSCHAPPEN VAN ADDITIEF 316L ROESTVRIJ STAAL
VOORWAARDE
UTS
0,2% opbrengst
Verlenging (%)
Hardheid (HRC)
EIGENSCHAPPEN VAN ADDITIEF TITANIUM/Ti6 AL-4V
VOORWAARDE
UT
0,2% opbrengst
Verlenging (%)
Hardheid (HRC)
Waar Additive Manufacturing in het plaatje past
Het verkrijgen van de gewenste ontwerpen met niet-additieve Inconel kan een uitdaging zijn. De prestaties van componenten kunnen er namelijk onder lijden wanneer traditionele productiemethoden worden gebruikt, omdat ze mechanische prestatiekenmerken zoals corrosie bij hoge temperatuur en kruipweerstand kunnen beïnvloeden. Een gloeistap is ook vereist aan het begin van elk bewerkings-, smeed- of lasproces. Additieve productie van Inconel 718 heeft aangetoond dat mechanische eigenschappen niet worden opgeofferd en zelfs de eigenschappen van gegoten of gesmede onderdelen kunnen overtreffen.
De lucht- en ruimtevaartindustrie, en bijvoorbeeld GE Aviation, produceren al additief vervaardigde onderdelen voor straalmotoren van vliegtuigen. Ontwerpvrijheid, reductie van onderdelen en efficiëntie in de toeleveringsketen zorgen ervoor dat additief vervaardigde lucht- en ruimtevaartcomponenten in de schijnwerpers komen te staan wanneer uiteindelijk brandstof- en kostenbesparingen worden bereikt.
Een paper uit 2017, gepresenteerd op een conferentie van het Institute of Physics (IOP) over materiaalkunde en -techniek, meldde dat verschillende cryogene toepassingen van additieve superlegeringen ook gebruik maken van additive manufacturing. Buizen en schalen, cryogene ophangings- en ondersteuningssystemen, constructies voor waaiers of pompen, klepstelen, koelbuizen, warmtepijpen, thermische isolatieontwerpen, warmtewisselaars en gasopslag in systemen met hoge porositeit zijn allemaal zeer geschikt voor toepassingen die zeer sterke superlegeringen vereisen waar temperaturen kunnen variëren van cryogeen (-460 graden F) tot 1400 graden F.
De ontwikkeling van metalen in poedervorm, in combinatie met de vooruitgang in 3D-printmachines voor metaal van industriële kwaliteit, heeft het gesprek binnen veel industrieën vooruit geholpen om de voordelen van additive manufacturing superlegeringen te ontsluiten. De mogelijkheid om onderdelen te ontwikkelen is in feite een realiteit voor iedereen die onderdelen van Inconel 718 wil fabriceren.
Bij Protolabs bieden we Inconel 718 aan als een additieve materiaaloptie die beschikbaar is om onderdeelvolumes te bouwen tot 31,5 inch x 15,7 inch x 19,7 inch (800 mm x 398 mm x 500 mm). Met de introductie van de GE Additive X Line 2000R-machine in onze line-up maken we de weg vrij voor industrieën om te vertrouwen op één enkele leverancier voor grote additieve Inconel 718-onderdelen.
Bovendien kunnen warmtebehandelingsopties worden uitgevoerd die de mechanische eigenschappen van Inconel verbeteren. Een van de vele warmtebehandelingsopties is heet isostatisch persen (HIP), wat ook kan worden uitgevoerd om de mechanische eigenschappen te verbeteren door de dichtheid te verhogen en de porositeit in onderdelen te verminderen.
