Superalloy-Pulver auf Nickelbasis für 3D-Druck- und Additivherstellung in Luft- und Raumfahrt- und Hochtemperaturanwendungen

1. Einführung

Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Hochtemperaturstärke, Oxidationsresistenz und Kriechwiderstand sind nickelbasierte Superlegierungen auf Hochleistungsanwendungen für Hochleistungsanwendungen in Luft- und Raumfahrt-, Stromerzeugungs- und Industrie-Gasturbinen. Die Additive Manufacturing (AM) oder 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer, leichter und Hochleistungskomponenten mit reduzierten Vorlaufzeiten und Materialabfällen.

Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Überblick über:

• Key Nickel-basierte Superlegierungen, die in AM verwendet werden

• Pulverproduktionsmethoden

• 3D -Druckprozesse

• Nachbearbeitungsanforderungen

• Luft- und Raumfahrt- und Industrieanwendungen

2. Key Nickel-basierte Superlegierungen für den 3D-Druck

Zu den am häufigsten verwendeten Nickel -Superlegierungen in AM gehören:

Chemische Zusammensetzungen (typisch)

3.. Pulverproduktionsmethoden für AM

Nickel -Superalloy -Pulver müssen strenge Anforderungen an Sphärizität, Partikelgrößenverteilung und Reinheit erfüllen. Die Hauptproduktionsmethoden sind:

A. Gasgebäude (am häufigsten)

• Prozess: geschmolzenes Metall wird durch Hochdruck-Inertgas (AR oder N₂) aufgelöst.

• Vorteile: hohe Sphärizität, kontrollierte Partikelgröße (15-150 µm).

• Verwendet für: LPBF, DED, BINDER -DLETTING.

B. Plasma -rotierender Elektrodenprozess (Prep)

• Prozess: Eine rotierende Elektrode wird durch Plasma geschmolzen, und die Zentrifugalkraft bildet Tröpfchen.

• Vorteile: Sehr hohe Reinheit, niedrige Satellitenteilchen.

• Verwendet für: kritische Luft- und Raumfahrtkomponenten.

C. Wasserzerstäubung (seltener)

• Prozess: Wasserdüsen brechen geschmolzenes Metall auf (niedrigere Sphärizität).

• Nachteil: unregelmäßige Formen, höherer Sauerstoffgehalt.

• Wird für: weniger kritische Anwendungen (z. B. Wärmestratsbeschichtungen).

4. 3D -Druckprozesse für Nickel -Superlegierungen

A. Laserpulverbett Fusion (LPBF / SLM)

• Am besten für: Turbinenklingen mit hoher Präzision, Brennstoffdüsen.

• Typische Parameter:

  • Laserleistung: 200-400W

  • Schichtdicke: 20-50 µm

  • Scangeschwindigkeit: 800-1200 mm/s

B. Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

• Am besten für: große, stressresistente Komponenten (z. B. Turbinenscheiben).

• Typische Parameter:

  • Strahlstrom: 5-50 Ma

  • Beschleunigungsspannung: 60 kV

  • Vorheizen: 700-1000 ° C (reduziert die Restspannung)

C. gerichtete Energieabscheidung (DED / Objektiv)

• Am besten: Reparatur von Turbinenklingen, große Strukturteile.

• Typische Parameter:

  • Laserleistung: 500-2000W

  • Pulver-Futterrate: 5-20 g/min

5. Nachbearbeitung für Nickel Superalloy Am-Teile

A. Wärmebehandlung

• Stressabbau: 870 ° C/1H (IN625), 720 ° C/8H (IN718).

• Lösung Glühen: 1150 ° C/1H (IN625), 980 ° C/1H (IN718).

• Altern (für In718): 720 ° C/8H + 620 ° C/8H.

B. heißes isostatisches Pressen (Hüfte)

• Zweck: Beseitigen Sie interne Hohlräume (verbessert die Lebensdauer).

• Bedingungen: 1200 ° C @ 100-150 MPa für 4H.

C. Bearbeitung und Bearbeitung

• CNC -Bearbeitung: Für enge Toleranzen.

• Elektropolishing: Verbessert die Oberflächenfinish (RA <1 µm).

• NDT-Inspektion: Röntgen-CT, Ultraschalltests.

6. Anwendungen im Bereich der Luft- und Raumfahrt- und Industriesektoren

A. Luft- und Raumfahrt

• Jet-Motor-Komponenten: Turbinenblätter, Brenngeber, Düsen (GE, Rolls-Royce).

• Raketenantrieb: Schubkammern (SpaceX Raptor Motor).

• Strukturteile: Klammern, Wärmeschilde.

B. Stromerzeugung

• Gasturbinenklingen: Siemens Energy, Mitsubishi Heavy Industries.

• Kernreaktorteile: Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit.

C. Öl & Gas

• Herunterholzwerkzeuge: Korrosionsbeständige Ventile, Bohrer.

• Wärmetauscher: Hochdruck-, Hochtemperaturumgebungen.

7. Herausforderungen und zukünftige Trends

Herausforderungen

• Hohe Pulverkosten: $ 100- $ 500/kg je nach Legierung.

• Riss- und Restspannung: Erfordert optimierte Prozessparameter.

• Pulver -Wiederverwendungsgrenzen: Oxidation nach mehreren Zyklen.

Zukünftige Trends

• AI/ML zur Prozessoptimierung: Verringerung von Defekten.

• Multi-Material-Druck: abgestufte Strukturen (z. B. IN718 bis HX).

• Nachhaltiges Pulverrecycling: Verringerung des Abfalls.

8. Schlussfolgerung

Der in Nickel basierende Superalloy 3D-Druck revolutioniert Hochtemperaturanwendungen in Luft- und Raumfahrt, Energie und Verteidigung. Mit Fortschritten in der Pulverqualität, AM-Prozessen und nach der Behandlung ermöglicht die additive Fertigung leichtere, stärkere und effizientere Komponenten als herkömmliche Methoden.