3D εκτύπωση νικελίου In625 μεταλλική σκόνη για εξαρτήματα αεροδιαστημικών τουρμπινών

1Εισαγωγή

Τα υπεραλλωρίδια με βάση το νικέλιο, ιδιαίτερα το Inconel 625 (In625), χρησιμοποιούνται ευρέως στις αεροδιαστημικές εφαρμογές λόγω της εξαιρετικής αντοχής τους σε υψηλές θερμοκρασίες, της αντοχής τους στη διάβρωση και της αντοχής τους στην κόπωση.Επεξεργασία πρόσθετων υλών (AM), ή 3D εκτύπωση, επιτρέπει την παραγωγή σύνθετων αεροδιαστημικών εξαρτημάτων τουρμπίνων με μειωμένη απόβλητη ύλη και βελτιωμένη ευελιξία σχεδιασμού.

Η παρούσα λεπτομερή περιγραφή καλύπτει τις ιδιότητες της μεταλλικής σκόνης In625, των διαδικασιών 3D εκτύπωσης, της μεταποιητικής επεξεργασίας και των εφαρμογών σε αεροδιαστημικές τουρμπίνες.

2. Inconel 625 (In625) Ιδιότητες μεταλλικής σκόνης

Το In625 είναι ένα υπεράλυμμα νικελίου-χρωμίου-μολυβδενίου με τα ακόλουθα βασικά χαρακτηριστικά:

Χημική σύνθεση (ASTM B443)

Μηχανικές και θερμικές ιδιότητες

• Δυνατότητα τέντωσης: 930 MPa (σε θερμοκρασία δωματίου)

• Δυνατότητα απόδοσης: 517 MPa

• Αμήκυνση: 42,5%

• Πυκνότητα: 8,44 g/cm3

• Σημείο τήξης: 1290 - 1350°C

• Αντίσταση στην οξείδωση: Εξαιρετική έως 980°C

• Ανθεκτικότητα στη διάβρωση: Ανθεκτικότητα σε τρύπες, διάσπαση και αλμυρό νερό

Χαρακτηριστικά σκόνης για 3D εκτύπωση

• Κατανομή μεγέθους σωματιδίων: 15 - 45 μm (για LPBF) ή 45 - 106 μm (για DED)

• Μορφολογία: Σφαιρική (για βέλτιστη ροή)

• Μέθοδος παραγωγής σκόνης: Ατμοποίηση αερίου (αργκόνιο ή άζωτο)

• Διαρροή: ≤ 25 s/50g (δοκιμασία μετρητή ροής Hall)

• Φαινομενική πυκνότητα: ≥ 4,5 g/cm3

3. 3D διαδικασίες εκτύπωσης για το In625 στις αεροδιαστημικές τουρμπίνες

Οι πιο κοινές μέθοδοι 3D εκτύπωσης μετάλλων για το In625 περιλαμβάνουν:

Α. Σύντηξη στο στρώμα σκόνης με λέιζερ (LPBF / SLM)

• Διαδικασία: Ένα λέιζερ υψηλής ισχύος λιώνει επιλεκτικά την σκόνη In625 στρώμα προς στρώμα.

• Πλεονεκτήματα

  • Υψηλή ακρίβεια (± 0,05 mm)

  • Τελεία επιφάνειας (Ra 5 - 15 μm)

  • Κατάλληλο για πολύπλοκα εσωτερικά κανάλια ψύξης στις λεπίδες των ανεμογεννητριών

• Τυπικές παραμέτρους:

  • Δύναμη λέιζερ: 200 - 400 W

  • Δάχος στρώματος: 20 - 50 μm

  • Ταχύτητα σάρωσης: 800 - 1200 mm/s

  • Ταχύτητα κατασκευής: 5 - 20 cm3/h

Β. Κατευθυνόμενη ενεργειακή κατάθεση (DED / LENS)

• Διαδικασία: Μια ακτίνα λέιζερ ή ηλεκτρονίων λιώνει τη σκόνη In625 καθώς αποθηκεύεται.

• Πλεονεκτήματα

  • Μεγαλύτεροι ρυθμοί εναπόθεσης (50 - 200 cm3/h)

  • Διορθωτικά για κατασκευή και επισκευή μεγάλων εξαρτημάτων τουρμπίνων

• Τυπικές παραμέτρους:

  • Δύναμη λέιζερ: 500 - 2000 W

  • Στροφή σκόνης: 5 - 20 g/min

Γ. Έλιξη δέσμης ηλεκτρονίων (EBM)

• Διαδικασία: Χρησιμοποιεί δέσμη ηλεκτρονίων σε κενό για να λιώσει σκόνη In625.

• Πλεονεκτήματα

  • Μειωμένη υπολειμματική πίεση (λόγω υψηλής θερμοκρασίας προθερμισμού)

  • Ταχύτεροι ρυθμοί κατασκευής από το LPBF

• Τυπικές παραμέτρους:

  • ρεύμα δέσμης: 5 - 50 mA

  • Τεχνική διάταξη:

  • Δάχος στρώματος: 50 - 100 μm

4Μετά επεξεργασία για εξαρτήματα αεροδιαστημικών τουρμπίνων

Για να ικανοποιηθούν οι αυστηρές απαιτήσεις της αεροδιαστημικής βιομηχανίας, η μεταπεξεργασία είναι απαραίτητη:

Α. Θερμική επεξεργασία

• Ελάφρυνση άγχους: 870°C για 1 ώρα (αέρας ψύξης)

• Λύσιμο Αναψύκωση: 1150°C για 1 ώρα (αποψύχωση με νερό)

• Γήρανση (εάν απαιτείται): 700 - 800°C για 8 - 24 ώρες

Β. Ζεστή ισοστατική πίεση (HIP)

• Σκοπός: Εξάλειψη της εσωτερικής πορώδους διάστασης (βελτιώνει την αντοχή κατά την κόπωση)

• Παραμέτροι: 1200°C σε θερμοκρασία 100-150 MPa για 4 ώρες

Γ. Επεξεργασία και τελειοποίηση

• Επεξεργασία CNC: Για χαρακτηριστικά στενής ανοχής

• Επεξεργασία επιφανείας: Ηλεκτροχημική γυάλωση ή μηχανική επεξεργασία με συσσωρευτική ροή για ομαλότερες επιφάνειες

• Μη καταστροφική δοκιμή (NDT): ακτινογραφική αξονική αξονική, υπερηχητική δοκιμή ή επιθεώρηση διαπεραστικών βαφών

5Εφαρμογές αεροδιαστημικών τουρμπίνων

Το 3D εκτυπωμένο In625 χρησιμοποιείται σε κρίσιμα στοιχεία τουρμπίνων, συμπεριλαμβανομένων:

• Άλλες συσκευές που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ή την επεξεργασία ηλεκτρικών συσσωρευτών

• Εφοδιασμοί καυστήρα (ανθεκτικότητα στη θερμότητα και τη διάβρωση)

• Σφουγγαρίσματα εξάτμισης (σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες)

• Σφουγγάρια καυσίμου (η μηχανή LEAP της GE Aviation χρησιμοποιεί 3D εκτυπωμένο In625)

• Επισκευή φθαρμένων εξαρτημάτων τουρμπίνας (μέσω DED)

Πλεονεκτήματα έναντι της παραδοσιακής παραγωγής

✔ Μείωση βάρους (δομές πλέγματος & βελτιστοποίηση τοπολογίας)
✔ Ταχύτερη παραγωγή (χωρίς ανάγκη για περίπλοκα εργαλεία)
✔ Βελτιωμένη απόδοση (βελτιωμένα κανάλια ψύξης)
✔ εξοικονόμηση υλικών (κατασκευή σε σχήμα σχεδόν καθαρού)

6Προκλήσεις και μελλοντικές τάσεις

Προκλήσεις:

• Το υψηλό κόστος της σκόνης In625

• Επομένως, δεν είναι απαραίτητο να χρησιμοποιείται η μέθοδος αυτή.

• Οριακά όρια επαναχρησιμοποιήσιμης σκόνης (συνήθως 5 - 10 κύκλοι πριν από τη διάσπαση)

Μελλοντικές τάσεις:

• Βελτιστοποίηση διαδικασιών με βάση την τεχνητή νοημοσύνη (για εκτύπωση χωρίς ελαττώματα)

• Υβριδική κατασκευή (συνδυασμός AM με επεξεργασία CNC)

• Ανάπτυξη νέων κραμάτων (μεταλλαγές υψηλότερης θερμοκρασίας)