Суперсплав на основе никеля для 3D-печати и аддитивного производства в аэрокосмических и высокотемпературных приложениях

1Введение.

Сверхсоединения на основе никеля являются критически важными материалами для высокопроизводительных применений в аэрокосмической промышленности, производстве электроэнергии и промышленных газовых турбинах из-за их исключительной высокотемпературной прочности.устойчивость к окислениюАддитивное изготовление (AM) или 3D-печать позволяет производить сложные, легкие и высокопроизводительные компоненты с сокращением сроков производства и материальных отходов.

В данном руководстве представлен подробный обзор:

• Ключевые сверхсоединения на основе никеля, используемые в АМ

• Методы производства порошка

• 3D-печать

• Требования после обработки

• Аэрокосмические и промышленные приложения

2Ключевые сверхсоединения на основе никеля для 3D-печати

Наиболее широко используемые никелевые сверхсоединения в АМ включают:

Химический состав (типичный)

3Методы производства порошка для АМ

Порошки из сверхсоединений никеля должны соответствовать строгим требованиям к сферичности, распределению размеров частиц и чистоте.

А. Атомизация газа (наиболее распространенная)

• Процесс: расплавленный металл расщепляется инертным газом высокого давления (Ar или N2).

• Преимущества: высокая сферичность, контролируемый размер частиц (15-150 мкм).

• Используется для: LPBF, DED, Binder Jetting.

B. Процесс вращающейся плазменной электроды (PREP)

• Процесс: вращающийся электрод расплавляется плазмой, и центробежная сила образует капли.

• Преимущества: очень высокая чистота, низкий уровень спутниковых частиц.

• Используется для: критических аэрокосмических компонентов.

C. Атомизация воды (менее распространенная)

• Процесс: струи воды расщепляют расплавленный металл (низкая сферичность).

• Недостатки: нерегулярные формы, более высокое содержание кислорода.

• Используется для: менее критических применений (например, тепловых распылительных покрытий).

4. Процессы 3D-печати для никелевых сверхсоединений

A. Лазерное расплавление порошковых ложек (LPBF / SLM)

• Лучше всего подходит для высокоточных лопастей турбины, топливных сосудов.

• Типичные параметры:

  • Мощность лазера: 200-400 Вт

  • Толщина слоя: 20-50 мкм

  • Скорость сканирования: 800-1200 мм/с

B. Сплавление электронных пучков (EBM)

• Лучше всего подходит для: больших, устойчивых к напряжению компонентов (например, дисков турбины).

• Типичные параметры:

  • Ток луча: 5-50 мА

  • Ускорительное напряжение: 60 кВ

  • Предварительное нагревание: 700-1000°C (снижает остаточное напряжение)

C. Направленное отложение энергии (DED / LENS)

• Лучше всего подходит для: ремонта лопастей турбины, больших структурных частей.

• Типичные параметры:

  • Мощность лазера: 500-2000 Вт

  • Порошок питания: 5-20 г/мин.

5. Послепереработка для деталей AM из никелевой сверхсоединения

A. Тепловая обработка

• Уменьшение напряжения: 870°C/1h (IN625), 720°C/8h (IN718).

• Раствор Отжигание: 1150°C/1h (IN625), 980°C/1h (IN718).

• Старый (для IN718): 720°C/8h + 620°C/8h.

B. Горячее изостатическое прессование (HIP)

• Цель: Устранение внутренних пустот (улучшает долговечность усталости).

• Условия: 1200 °C @ 100-150 МПа в течение 4 ч.

C. Обработка и отделка

• Для узких толерантности.

• Электрополировка: улучшает отделку поверхности (Ra < 1 мкм).

• НДТ инспекция: рентгеновская томография, ультразвуковое исследование.

6. Приложения в аэрокосмическом и промышленном секторах

А. Авиационная промышленность

• Компоненты реактивных двигателей: лопасти турбины, горючие двигатели, сосуды (GE, Rolls-Royce).

• Движение ракет: тяговые камеры (двигатель SpaceX Raptor).

• Структурные части: скобки, тепловые щиты.

B. Производство электроэнергии

• Газовые турбинные лопасти: Siemens Energy, Mitsubishi Heavy Industries.

• Части ядерного реактора: устойчивость к коррозии при высоких температурах.

C. Нефть и газ

• Инструменты для сверления: коррозионно-устойчивые клапаны, сверла.

• Теплообменники: высокое давление, высокая температура.

7. Проблемы и будущие тенденции

Проблемы

• Высокая стоимость порошка: от 100 до 500 долларов за кг в зависимости от сплава.

• Трещины и остаточный стресс: требует оптимизации параметров процесса.

• Пределы повторного использования порошка: Окисление после нескольких циклов.

Будущие тенденции

• ИИ/ML для оптимизации процессов: уменьшение дефектов.

• Многоматериальная печать: классифицированные конструкции (например, IN718 до HX).

• Устойчивая переработка порошка: сокращение отходов.

8Заключение.

3D-печать на основе никеля революционизирует высокотемпературные приложения в аэрокосмической, энергетической и оборонной отраслях.Адитивное производство позволяет легче, более прочные и эффективные компоненты, чем традиционные методы.