3D-Druck Nickel In625 Metallpulver für Komponenten von Luft- und Raumfahrtturbinen

1Einführung

Superlegierungen auf Nickelbasis, insbesondere Inconel 625 (In625), werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Hochtemperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Müdigkeit widrig in der Luftfahrt eingesetzt.Zusatzverarbeitung (AM), oder 3D-Druck, ermöglicht die Herstellung komplexer Komponenten für Luft- und Raumfahrtturbinen mit geringerer Materialverschwendung und verbesserter Designflexibilität.

Diese detaillierte Beschreibung behandelt die Eigenschaften von In625 Metallpulver, 3D-Druckverfahren, Nachbearbeitung und Anwendungen in Luft- und Raumfahrtturbinen.

2. Inkonel 625 (In625) Metallpulver Eigenschaften

In625 ist eine Nickelchrommolybdän-Superlegierung mit folgenden Hauptmerkmalen:

Chemische Zusammensetzung (ASTM B443)

Mechanische und thermische Eigenschaften

• Zugfestigkeit: 930 MPa (bei Raumtemperatur)

• Ausfallfestigkeit: 517 MPa

• Verlängerung: 42,5%

• Dichte: 8,44 g/cm3

• Schmelzpunkt: 1290 - 1350°C

• Oxidationsbeständigkeit: ausgezeichnet bis 980°C

• Korrosionsbeständigkeit: Widerstandsfähig gegen Bohrungen, Spaltenkorrosion und Salzwasserumgebungen

Eigenschaften von Pulvern für den 3D-Druck

• Partikelgrößenverteilung: 15 - 45 μm (für LPBF) oder 45 - 106 μm (für DED)

• Morphologie: Kugelförmig (für optimale Durchflussfähigkeit)

• Verfahren zur Herstellung von Pulver: Gasatomisierung (Argon oder Stickstoff)

• Durchflussfähigkeit: ≤ 25 s/50 g (Hall-Durchflussmessprüfung)

• Anscheinende Dichte: ≥ 4,5 g/cm3

3. 3D-Druckverfahren für In625 in Luft- und Raumfahrtturbinen

Zu den gängigsten Metall-3D-Druckmethoden für In625 gehören:

A. Laserpulverbettenfusion (LPBF / SLM)

• Verfahren: Ein Hochleistungslaser schmilzt In625-Pulver selektiv Schicht für Schicht.

• Vorteile:

  • Hohe Präzision (± 0,05 mm)

  • Feine Oberflächenveredelung (Ra 5 - 15 μm)

  • geeignet für komplexe interne Kühlkanäle in Turbinenblättern

• Typische Parameter:

  • Laserleistung: 200 - 400 W

  • Schichtdicke: 20 - 50 μm

  • Geschwindigkeit des Scans: 800 bis 1200 mm/s

  • Bauquote: 5 bis 20 cm3/h

B. Lenkung der Energie (DED / LENS)

• Verfahren: Ein Laser- oder Elektronenstrahl schmilzt das In625-Pulver, während es abgelagert wird.

• Vorteile:

  • Höhere Ablagerungsraten (50 - 200 cm3/h)

  • geeignet für große Turbinenbauteile und Reparaturen

• Typische Parameter:

  • Laserleistung: 500 - 2000 W

  • Pulverzufuhr: 5 - 20 g/min.

C. Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

• Verfahren: Verwendet einen Elektronenstrahl im Vakuum, um In625-Pulver zu schmelzen.

• Vorteile:

  • Verringerte Restbelastung (aufgrund der hohen Vorwärmetemperatur)

  • Schnellere Bauraten als LPBF

• Typische Parameter:

  • Strahlstrom: 5 - 50 mA

  • Beschleunigungsspannung: 60 kV

  • Schichtdicke: 50 - 100 μm

4. Nachbearbeitung von Komponenten für Luft- und Raumfahrtturbinen

Um den strengen Anforderungen der Luftfahrt zu entsprechen, ist die Nachbearbeitung unerlässlich:

A. Wärmebehandlung

• Stressentlastung: 870°C für 1 Stunde (Luftkühlung)

• Auflösung Aufheizung: 1150°C für 1 Stunde (Wasserlöschung)

• Alterung (falls erforderlich): 700 - 800°C für 8 - 24 Stunden

B. Heißes isostatisches Pressen (HIP)

• Zweck: Eliminiert innere Porosität (verbessert die Ermüdungsdauer)

• Parameter: 1200°C bei 100 - 150 MPa für 4 Stunden

C. Bearbeitung und Veredelung

• CNC-Bearbeitung: für Features mit enger Toleranz

• Oberflächenbearbeitung: Elektrochemische Polierung oder Abrasivbearbeitung für glattere Oberflächen

• Nichtzerstörende Prüfung (NDT): Röntgen-CT, Ultraschallprüfung oder Inspektion von Durchdringungsmitteln für Farbstoffe

5. Anwendungen für Luft- und Raumfahrtturbinen

3D-gedruckte In625 wird in kritischen Turbinenkomponenten verwendet, darunter:

• Turbinenblätter und -flächen (mit internen Kühlkanälen)

• Verbrennungsbelag (Wärme- und Korrosionsbeständigkeit)

• Auspuffdüsen (Hochtemperaturstabilität)

• Kraftstoffdüsen (GE Aviation's LEAP-Motor verwendet 3D-gedruckte In625)

• Reparatur von abgenutzten Turbinenteilen (über DED)

Vorteile gegenüber traditioneller Fertigung

✔ Gewichtsreduzierung (Gitterstrukturen und Optimierung der Topologie)
✔ Schnellere Produktion (keine notwendigen komplizierten Werkzeuge)
✔ Verbesserte Leistung (optimierte Kühlkanäle)
✔ Materialersparnis (Fertigung in nahezu netter Form)

6. Herausforderungen und zukünftige Trends

Herausforderungen:

• Hohe Kosten für In625-Pulver

• Restbelastung und Verzerrung (erfordert eine ordnungsgemäße Wärmebehandlung)

• Grenzwerte für die Wiederverwendbarkeit von Pulver (normalerweise 5 - 10 Zyklen vor dem Abbau)

Zukunftstrends:

• KI-gesteuerte Prozessoptimierung (für defektfreien Druck)

• Hybride Fertigung (Verknüpfung von AM mit CNC-Bearbeitung)

• Entwicklung neuer Legierungen (Höhere Temperaturvarianten)