Übersicht
Inconel 718 ist eine hochfeste Nickel-Chrom-Superlegierung, die häufig für Anwendungen bei extremen Temperaturen verwendet wird, z. B. für Komponenten von Gasturbinen, Raketentriebwerken und Kernreaktoren. Die Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit machen Inconel 718 zu einem vielseitigen Werkstoff in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Öl und Gas, Energieerzeugung und Automobilbau.
In den letzten Jahren hat sich die additive Fertigung (AM) von Inconel 718 zu einer transformativen Produktionsmethode für die Herstellung komplexer, leistungsstarker Metallteile entwickelt. Bei der additiven Fertigung, die auch als 3D-Druck bezeichnet wird, werden die Bauteile Schicht für Schicht direkt aus einem 3D-Modell aufgebaut, ohne die Einschränkungen, die bei der herkömmlichen Bearbeitung oder dem Gießen auftreten.
Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Einblick in Inconel 718 3D-DruckDazu gehören Legierungseigenschaften, gängige AM-Prozesstypen, Parameter, Mikrostrukturen, mechanisches Verhalten, Nachbearbeitung, Anwendungen und Lieferanten. Es soll Ingenieuren, Konstrukteuren und technischen Programmmanagern dabei helfen, den 3D-Druck von Inconel 718 zu implementieren und gedruckte Teile für die Produktion zu qualifizieren.
Inconel 718 Legierung Übersicht
Inconel 718 ist eine ausscheidungsgehärtete Nickel-Chrom-Legierung mit wichtigen Legierungselementen wie Niob, Molybdän, Aluminium und Titan.
Inconel 718 Zusammensetzung
| Element | Gewicht % | Zweck |
|---|---|---|
| Nickel | 50-55% | Korrosionsbeständigkeit, Duktilität |
| Chrom | 17-21% | Oxidationsbeständigkeit |
| Eisen | Bilanz | Kosteneffizienz |
| Niobium | 4.75-5.5% | Verstärkung des Niederschlages |
| Molybdän | 2.8-3.3% | Stärkung der festen Lösung |
Nickel und Chrom sorgen für Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität. Härtende Elemente wie Niob und Molybdän sorgen durch Ausscheidungs- und Mischkristallverfestigungsmechanismen für überlegene Festigkeit.
Inconel 718 Eigenschaften
- Hervorragende Festigkeit bis 700 °C
- Hohe Schlagzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit
- Gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
- Hohe Zeitstandfestigkeit
- Einfaches Formen und Schweißen mit Standardtechniken
- Dichte von 8,19 g/cm3
Durch diese Kombination von Eigenschaften eignet sich Inconel 718 für extreme Umgebungen, die die Möglichkeiten von Stählen und Aluminiumlegierungen übersteigen.
Inconel 718 3D-Druck Prozesse
Mehrere additive Fertigungsverfahren haben sich bei Inconel 718 bewährt und werden zunehmend für Produktionsanwendungen eingesetzt:
Gängige AM-Verfahren für Inconel 718
| Prozess | Beschreibung | Dichte | Mikrostruktur | Mechanische Eigenschaften |
|---|---|---|---|---|
| Laser-Pulver-Bett-Fusion (L-PBF) | Laser schmilzt Pulverschichten | 99.5%+ | Säulenförmige Körner, etwas Porosität | Zugfestigkeit im Knetbereich |
| Elektronenstrahl-Pulverbettfusion (E-PBF) | Elektronenstrahl schmilzt Pulver | 99.5%+ | Säulenförmige Körner, etwas Porosität | Zugfestigkeit im Knetbereich |
| Gerichtete Energieabscheidung (DED) | Fokussierte Wärmequelle schmilzt Pulver oder Drahtvorschub | 99% | Epitaxie-Körner, etwas Porosität | Variabel auf Basis der Prozessparameter |
| Binder Jetting | Flüssiges Bindemittel verbindet selektiv die Pulverpartikel | 60%+ | Porös, erfordert Versickerung | Gering im Druckzustand, verbessert sich mit der Infiltration |
L-PBF und E-PBF können Dichten von über 99,5% mit Eigenschaften erreichen, die denen von geschmiedetem Inconel 718 nahe kommen. DED und Binder-Jetting erfordern eine Nachbearbeitung, um die volle Dichte zu erreichen.
Jedes Verfahren erfordert eine Optimierung der Druckparameter, um die gewünschte Mikrostruktur und die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.
Inconel 718 3D-Druck Parameter
Die Druckparameter haben einen erheblichen Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur, die Defekte und die mechanische Leistungsfähigkeit der gedruckten Inconel 718-Teile.
Wichtige Inconel 718 Druckparameter
| Parameter | Typischer Bereich | Auswirkungen |
|---|---|---|
| Schichtdicke | 20-100 μm | Dichte, Oberflächengüte |
| Laser-/Strahlleistung | 100-500 W | Größe des Schmelzbeckens, Heizrate |
| Scan-Geschwindigkeit | 100-1000 mm/s | Abkühlungsgeschwindigkeit, Erstarrung |
| Abstand zwischen den Luken | 50-200 μm | Verklebung zwischen Luken |
| Strahlfokus | 30-100 μm | Breite und Tiefe des Schmelzbeckens |
| Größe des Pulvers | 10-45 μm | Fließfähigkeit des Pulvers, Oberflächengüte |
Dünnere Schichten und engere Luken erhöhen die Dichte und die Haftung, verringern aber die Baugeschwindigkeit. Schnelleres Scannen ergibt feinere Körner, kann aber Heißrisse verursachen. Kleine Pulvergrößen verbessern die Oberflächengüte.
Durch sorgfältige Optimierung der Parameter lassen sich Festigkeit, Duktilität, Oberflächenqualität und Druckproduktivität des Korngefüges einstellen.
Inconel 718 3D-Druck Mikrostrukturen
Inconel 718 weist beim Drucken mit AM-Verfahren unterschiedliche Mikrostrukturen auf:
Mikrostrukturelle Merkmale in gedrucktem Inconel 718
- Säulenförmige Körner parallel zur Baurichtung
- Epitaxiekörner, die der Ausrichtung der Grundplatte entsprechen
- Typische Kornbreite von 100-400 μm
- Erstarrungssegregation zwischen Dendritenkernen und interdendritischen Regionen
- Fehlende Textur im Vergleich zu geschmiedeten Produkten
- Ausfällung von Verfestigungsphasen wie γ" und γ'
- Porosität und Mikrorisse durch unvollständiges Schmelzen
Die Kornmorphologie folgt dem Wärmefluss und den Erstarrungsmustern während des Drucks. Segregation führt zu chemischen Veränderungen, die Risse verursachen können. Um eine einheitliche, kontrollierte Mikrostruktur zu erreichen, ist eine sorgfältige Verarbeitung erforderlich.
Wärmebehandlungen lösen ungünstige Phasen auf und fördern härtende Ausscheidungen wie Ni3Nb-Gamma-Doppelkorn für optimale Festigkeit.
Eigenschaften von bedrucktem Inconel 718
Mit der AM-Bearbeitung können mechanische Eigenschaften erreicht werden, die mit denen von geschmiedetem Inconel 718 vergleichbar sind, wenn sie entsprechend optimiert werden:
Inconel 718 Mechanische Eigenschaften
| Eigentum | Wie gedruckt | Geschmiedetes Walzwerk-geglüht |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 1000-1300 MPa | 1000-1200 MPa |
| Streckgrenze | 500-1100 MPa | 500-900 MPa |
| Dehnung | 10-35% | 20-35% |
| Ermüdungsfestigkeit | 100-600 MPa | 300-500 MPa |
| Härte | 25-50 HRC | 25-35 HRC |
Die Festigkeit erreicht oder übertrifft das Knetniveau, obwohl die Dehnungs- und Ermüdungseigenschaften geringer und variabler sind.
Es wird eine Zuganisotropie zwischen vertikaler und horizontaler Bauausrichtung beobachtet. Die Eigenschaften werden stark von den spezifischen Parametern des AM-Prozesses beeinflusst.
Nachbearbeitung von bedrucktem Inconel 718
Zur Verbesserung der Oberflächengüte, der Maßgenauigkeit und der Materialeigenschaften sind häufig Nachdruckverfahren erforderlich:
Gängige Nachbearbeitungsmethoden
- Wärmebehandlung - Entwickelt optimales Gefüge und Ausscheidungshärtung
- Heißisostatisches Pressen - Schließt innere Hohlräume und Porosität
- Oberflächenbearbeitung - Reduziert die Oberflächenrauhigkeit für kritische Oberflächen
- Shotpeening - Induziert Druckspannungen zur Verbesserung der Ermüdungslebensdauer
- Beschichtungen - Bieten bei Bedarf Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit
Die Standardaushärtung von Inconel 718 wird in der Regel verwendet, obwohl einige die Wärmebehandlung für AM-Mikrostrukturen modifizieren. Bei hohen Anforderungen an die Oberflächengüte werden maschinelle Bearbeitung, Schleifen oder Polieren eingesetzt.
Anwendungen von bedrucktem Inconel 718
Inconel 718 3D-Druck ist gut geeignet für:
- Luft- und Raumfahrt - Turbinenkomponenten, Raketendüsen, Triebwerksbaugruppen
- Stromerzeugung - Heißteile für Gasturbinen, Hüllen für Kernbrennstoff
- Automobilindustrie - Räder und Gehäuse für Turbolader
- Petrochemie - Bohrlochwerkzeuge, Ventile, Pumpen
- Weltraum - Komponenten für Satelliten und Startrampen
- Medizin - Zahnimplantate, chirurgische Instrumente
Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden:
- Gestaltungsfreiheit für komplexe Geometrien
- Gewichtsreduzierung durch Gitternetze und Topologieoptimierung
- Teilekonsolidierung, reduzierte Montage
- Kürzere Vorlaufzeiten für die Produktion auf Abruf
- Maßgeschneiderte Formen, digital gesteuerte Bestände
Zu den Einschränkungen gehören die Prozesskosten bei geringen Produktionsmengen und die Zertifizierungsprobleme in regulierten Branchen.
Lieferanten von bedrucktem Inconel 718
Viele Hersteller bieten weltweit 3D-Druckdienstleistungen für Inconel 718 an:
Dienstanbieter auswählen
| Unternehmen | AM-Prozesse | Zusätzliche Materialien | Produktionskapazität |
|---|---|---|---|
| GE-Zusatzstoff | DED, Binder Jetting | Titanlegierungen, Stähle, Superlegierungen | Große Mengen |
| Materialisieren | Laser PBF | Titan, Aluminium, Stähle | Mittlere Volumen |
| 3D-Systeme | Laser PBF, Binder Jetting | Titan, rostfreier Stahl, CoCr, AlSi10Mg | Prototyping bis zu mittleren Stückzahlen |
| Äquisphären | Laser PBF | Titan, Stähle, Aluminium | Kleine Mengen |
| Zimmerer-Zusatzstoff | Laser-PBF, E-PBF | Titan, Edelstahl, Werkzeugstähle | Mittlere Volumen |
Sowohl große OEMs als auch Nischenanbieter von AM-Dienstleistungen bieten den Druck von Inconel 718 an. Viele bieten sekundäre Veredelungsprozesse an.
Die Kosten für die Teile reichen von schätzungsweise $100-500/lb, je nach Auftragsgröße, Qualitätsanforderungen und Verarbeitungsmethode.
Qualifizierte gedruckte Inconel 718-Teile
Für die Luft- und Raumfahrt und andere regulierte Anwendungen gelten strenge Qualifikationsprotokolle:
- Mechanische Tests über eine Reihe von Druckausrichtungen
- Chemische Analyse für die Übereinstimmung der Zusammensetzung
- Zerstörungsfreie Prüfung (NDE) zur Fehlererkennung
- Langfristige Leistungsbewertung durch Wärmebehandlung, heißisostatisches Pressen, Bearbeitungsversuche
- Bewertungen der Reproduzierbarkeit von Prozessen
- Dokumentation von Parameteroptimierung, Mikrostrukturen, Fehlervermeidung
Testartefakte wie Zugstäbe, Ermüdungsproben und Materialcoupons optimieren die Charakterisierung der gedruckten Eigenschaften.
Die Einhaltung der geltenden Branchenspezifikationen unterstützt die Zertifizierung und Produktionszulassung.
FAQ
Welche Partikelgröße wird für den Druck von Inconel 718 empfohlen?
Typisch ist ein Pulver von 10 bis 45 Mikron, wobei ein feineres Pulver von etwa 15 Mikron zwar die Dichte und die Oberflächengüte verbessert, aber den Durchfluss und die Rückgewinnung beeinträchtigt.
Was verursacht Porosität beim Bedrucken von Inconel 718?
Unzureichendes Schmelzen, fehlende Verschmelzung zwischen den Schichten und eingeschlossenes Gas verursachen Hohlräume. Die Optimierung des Energieeintrags, der Scanmuster, der Schichtdicke und des Gasflusses verringert die Porosität.
Welche Nachbearbeitung verbessert die Ermüdungslebensdauer von bedrucktem Inconel 718?
Das Kugelstrahlen erzeugt positive Druckspannungen, die die Rissentstehung und das Risswachstum hemmen. HIP und maschinelle Bearbeitung tragen ebenfalls dazu bei, indem sie die Oberflächenporen schließen.
Wie verhält sich gedruckter Inconel 718 im Vergleich zu gegossenem und geschmiedetem 718?
AM nähert sich den mechanischen Eigenschaften von Guss- und Schmiedewerkstoffen an, hat aber ein feineres, stärker segregiertes Gefüge. Durch Wärmebehandlung kann eine Ausscheidungshärtung erreicht werden, die mit der von Knetprodukten vergleichbar ist.
Welche Alternativen gibt es zu Inconel 718 für den 3D-Druck?
Kobaltchrom, Nickelsuperlegierungen wie 625 und 686 sowie ausscheidungshärtende nichtrostende Stähle bieten ähnliche Hochtemperatureigenschaften. Titanlegierungen zeichnen sich dort aus, wo eine geringere Dichte entscheidend ist.
Kann man ein Bimetallteil aus Inconel 718 und Edelstahl in 3D drucken?
Ja, die gerichtete Energieabscheidung ist in der Lage, durch präzisen Pulver- oder Drahtwechsel zwischen verschiedenen Legierungen zu wechseln, um Bauteile aus mehreren Werkstoffen herzustellen.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der 3D-Druck von Inconel 718 eine außergewöhnliche Designfreiheit und Leistungsverbesserung durch die Verwendung dieser hochfesten Superlegierung ermöglicht. Die Anpassung der Bauteilanforderungen an die Prozessmöglichkeiten und die Optimierung der Druckparameter sind der Schlüssel zur Nutzung der Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden. Laufende Fortschritte in Bezug auf Qualität, Eigenschaften, Multi-Material-Strukturen und Kosten tragen dazu bei, dass sich Inconel 718 AM in anspruchsvollen industriellen Anwendungen immer mehr durchsetzt.