3D-печать никелевого порошка In625 для компонентов турбин в аэрокосмической отрасли

1. Введение

Суперсплавы на основе никеля, в частности Inconel 625 (In625), широко используются в аэрокосмической отрасли благодаря своей исключительной прочности при высоких температурах, коррозионной стойкости и устойчивости к усталости. Аддитивное производство (AM), или 3D-печать, позволяет производить сложные компоненты аэрокосмических турбин с уменьшенными отходами материала и улучшенной гибкостью конструкции.

Это подробное описание охватывает свойства металлического порошка In625, процессы 3D-печати, постобработку и применение в аэрокосмических турбинах.

2. Свойства металлического порошка Inconel 625 (In625)

In625 - это суперсплав на основе никеля, хрома и молибдена со следующими ключевыми характеристиками:

Химический состав (ASTM B443)

Механические и термические свойства

• Предел прочности при растяжении: 930 МПа (при комнатной температуре)

• Предел текучести: 517 МПа

• Относительное удлинение: 42.5%

• Плотность: 8.44 г/см³

• Температура плавления: 1290 - 1350°C

• Стойкость к окислению: Отличная до 980°C

• Коррозионная стойкость: Устойчивость к питтингу, щелевой коррозии и воздействию соленой воды

Характеристики порошка для 3D-печати

• Распределение частиц по размерам: 15 - 45 µм (для LPBF) или 45 - 106 µм (для DED)

• Морфология: Сферическая (для оптимальной текучести)

• Метод производства порошка: Газовая атомизация (аргон или азот)

• Текучесть: ≤ 25 с/50 г (тест с использованием воронки Холла)

• Кажущаяся плотность: ≥ 4.5 г/см³

3. Процессы 3D-печати для In625 в аэрокосмических турбинах

Наиболее распространенные методы 3D-печати металлом для In625 включают:

A. Лазерное спекание порошкового слоя (LPBF / SLM)

• Процесс: Лазер высокой мощности выборочно расплавляет порошок In625 слой за слоем.

• Преимущества:

  • Высокая точность (± 0.05 мм)

  • Тонкая обработка поверхности (Ra 5 - 15 µм)

  • Подходит для сложных внутренних каналов охлаждения в лопатках турбин

• Типичные параметры:

  • Мощность лазера: 200 - 400 Вт

  • Толщина слоя: 20 - 50 µм

  • Скорость сканирования: 800 - 1200 мм/с

  • Скорость построения: 5 - 20 см³/ч

B. Прямое осаждение энергии (DED / LENS)

• Процесс: Лазер или электронный луч расплавляет порошок In625 по мере его осаждения.

• Преимущества:

  • Более высокая скорость осаждения (50 - 200 см³/ч)

  • Подходит для крупных компонентов турбин и ремонта

• Типичные параметры:

  • Мощность лазера: 500 - 2000 Вт

  • Скорость подачи порошка: 5 - 20 г/мин

C. Электронно-лучевая плавка (EBM)

• Процесс: Использует электронный луч в вакууме для расплавления порошка In625.

• Преимущества:

  • Снижение остаточных напряжений (из-за высокой температуры предварительного нагрева)

  • Более высокая скорость построения, чем у LPBF

• Типичные параметры:

  • Ток луча: 5 - 50 мА

  • Ускоряющее напряжение: 60 кВ

  • Толщина слоя: 50 - 100 µм

4. Постобработка для компонентов аэрокосмических турбин

Для соответствия строгим требованиям аэрокосмической отрасли постобработка необходима:

A. Термическая обработка

• Снятие напряжений: 870°C в течение 1 часа (охлаждение на воздухе)

• Закалка с выдержкой: 1150°C в течение 1 часа (закалка в воде)

• Старение (при необходимости): 700 - 800°C в течение 8 - 24 часов

B. Горячее изостатическое прессование (HIP)

• Цель: Устранение внутренней пористости (улучшает усталостную долговечность)

• Параметры: 1200°C при 100 - 150 МПа в течение 4 часов

C. Механическая обработка и финишная обработка

• Обработка на станках с ЧПУ: Для деталей с жесткими допусками

• Финишная обработка поверхности: Электрохимическая полировка или абразивная обработка для более гладких поверхностей

• Неразрушающий контроль (NDT): Рентгеновская компьютерная томография, ультразвуковой контроль или капиллярная дефектоскопия

5. Применение в аэрокосмических турбинах

Напечатанный на 3D-принтере In625 используется в критических компонентах турбин, включая:

• Лопатки и сопловые аппараты (с внутренними каналами охлаждения)

• Камеры сгорания (термостойкость и коррозионная стойкость)

• Выхлопные сопла (высокотемпературная стабильность)

• Топливные форсунки (в двигателе LEAP компании GE Aviation используется напечатанный на 3D-принтере In625)

• Ремонт изношенных деталей турбин (с помощью DED)

Преимущества перед традиционным производством

✔ Снижение веса (решетчатые структуры и топологическая оптимизация)
✔ Более быстрое производство (отсутствие необходимости в сложном инструменте)
✔ Улучшенная производительность (оптимизированные каналы охлаждения)
✔ Экономия материала (производство с формой, близкой к конечной)

6. Проблемы и будущие тенденции

Проблемы:

• Высокая стоимость порошка In625 

• Остаточные напряжения и деформации (требуется надлежащая термическая обработка)

• Ограничения по повторному использованию порошка (обычно 5 - 10 циклов до деградации)

Будущие тенденции:

• Оптимизация процесса на основе искусственного интеллекта (для печати без дефектов)

• Гибридное производство (сочетание AM с обработкой на станках с ЧПУ)

• Разработка новых сплавов (высокотемпературные варианты)