개요
인코넬 718은 가스 터빈 부품, 로켓 엔진, 원자로와 같은 극한 온도 응용 분야에 널리 사용되는 고강도 니켈-크롬 초합금입니다. 우수한 기계적 특성, 내식성, 가공성을 겸비한 인코넬 718은 항공우주, 석유 및 가스, 발전, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 활용도가 높은 소재입니다.
최근 몇 년 동안 인코넬 718의 적층 제조(AM)는 복잡한 고성능 금속 부품을 제조하는 혁신적인 생산 방법으로 부상했습니다. 3D 프린팅이라고도 하는 적층 가공은 기존의 기계 가공이나 주조의 제약 없이 3D 모델에서 직접 부품을 한 층씩 쌓아 올립니다.
이 가이드에서는 다음 사항에 대해 자세히 살펴봅니다. 인코넬 718 3D 프린팅합금 특성, 널리 사용되는 AM 공정 유형, 파라미터, 미세 구조, 기계적 거동, 후처리, 응용 분야 및 공급업체를 포함합니다. 엔지니어, 설계자 및 기술 프로그램 관리자가 인코넬 718 3D 프린팅을 구현하고 생산용으로 사용할 수 있는 프린팅 부품을 검증하는 데 도움을 주는 것을 목표로 합니다.
인코넬 718 합금 개요
인코넬 718은 니오븀, 몰리브덴, 알루미늄 및 티타늄과 같은 중요한 합금 원소를 포함하는 침전 경화 니켈-크롬 합금입니다.
인코넬 718 구성
| 요소 | 무게 % | 목적 |
|---|---|---|
| 니켈 | 50-55% | 내식성, 연성 |
| 크롬 | 17-21% | 내산화성 |
| 철 | 잔액 | 비용 효율성 |
| 니오븀 | 4.75-5.5% | 강수량 강화 |
| 몰리브덴 | 2.8-3.3% | 견고한 솔루션 강화 |
니켈과 크롬은 내식성과 고온 안정성을 제공합니다. 니오븀과 몰리브덴과 같은 경화 원소는 침전 및 고용체 강화 메커니즘을 통해 뛰어난 강도를 제공합니다.
인코넬 718 속성
- 최대 700°C의 뛰어난 강도
- 높은 충격 인성 및 내피로성
- 우수한 내산화성 및 내식성
- 높은 크리프 파열 강도
- 표준 기술로 쉽게 성형 및 용접 가능
- 8.19g/cm3의 밀도
이러한 특성의 조합으로 인해 인코넬 718은 강철 및 알루미늄 합금의 성능을 뛰어넘는 극한 환경에 적합합니다.
인코넬 718 3D 프린팅 프로세스
여러 적층 제조 공정에서 인코넬 718을 사용하여 성공을 거두었으며 생산 애플리케이션에 대한 채택이 증가하고 있습니다:
인코넬 718용 인기 AM 공정
| 프로세스 | 설명 | 밀도 | 마이크로 구조 | 기계적 특성 |
|---|---|---|---|---|
| 레이저 파우더 베드 퓨전(L-PBF) | 레이저로 파우더 층을 녹입니다. | 99.5%+ | 기둥 모양의 입자, 약간의 다공성 | 가공 범위 내 인장 강도 |
| 전자빔 파우더 베드 융합(E-PBF) | 전자빔이 분말을 녹입니다. | 99.5%+ | 기둥 모양의 입자, 약간의 다공성 | 가공 범위 내 인장 강도 |
| 직접 에너지 증착(DED) | 집중된 열원이 분말 또는 와이어 피드를 녹입니다. | 99% | 에피택셜 입자, 약간의 다공성 | 프로세스 매개변수에 따라 가변적 |
| 바인더 분사 | 분말 입자를 선택적으로 결합하는 액체 바인더 | 60%+ | 다공성, 침투 필요 | 낮은 인쇄 상태, 침투에 따라 개선됨 |
L-PBF 및 E-PBF는 단조 인코넬 718에 근접한 특성으로 99.5% 이상의 밀도를 달성할 수 있습니다. DED 및 바인더 제팅은 최대 밀도에 도달하기 위해 후처리가 필요합니다.
각 공정에서는 원하는 미세 구조와 특성을 얻기 위해 인쇄 매개변수를 최적화해야 합니다.
인코넬 718 3D 프린팅 파라미터
인쇄 매개변수는 인쇄된 인코넬 718 부품의 미세 구조, 결함 및 기계적 성능에 큰 영향을 미칩니다.
주요 인코넬 718 인쇄 매개변수
| 매개변수 | 일반적인 범위 | 영향 |
|---|---|---|
| 레이어 두께 | 20-100 μm | 밀도, 표면 마감 |
| 레이저/빔 파워 | 100-500 W | 용융 풀 크기, 가열 속도 |
| 스캔 속도 | 100-1000 mm/s | 냉각 속도, 응고 |
| 해치 간격 | 50-200 μm | 해치 간 결합 |
| 빔 초점 | 30-100 μm | 멜트 풀 너비, 깊이 |
| 파우더 크기 | 10-45 μm | 분말 유동성, 표면 마감 |
레이어가 얇고 해치가 좁을수록 밀도와 결합력은 향상되지만 제작 속도는 느려집니다. 스캐닝 속도가 빠를수록 입자가 미세해지지만 고온 균열이 발생할 수 있습니다. 파우더 크기가 작을수록 표면 마감이 향상됩니다.
파라미터를 신중하게 최적화하여 입자 구조 강도, 연성, 표면 품질 및 인쇄 생산성을 맞춤화합니다.
인코넬 718 3D 프린팅 마이크로 구조물
인코넬 718은 AM 공정을 사용하여 프린팅할 때 다양한 미세 구조를 나타냅니다:
인쇄된 인코넬 718의 미세 구조적 특징
- 빌드 방향에 평행한 기둥 모양 입자
- 베이스 플레이트 방향과 일치하는 에피택셜 그레인
- 일반적인 입자 폭: 100-400 μm
- 수상돌기 코어와 수상돌기 간 영역 사이의 고형화 분리
- 가공 제품에 비해 질감 부족
- γ" 및 γ' 같은 강화 단계의 강수량
- 불완전한 융합으로 인한 다공성 및 미세 균열
입자 형태는 인쇄 중 열 흐름과 응고 패턴을 따릅니다. 분리되면 화학적 변화가 발생하여 균열이 발생할 수 있습니다. 균일하고 제어된 미세 구조를 얻으려면 세심한 공정이 필요합니다.
열처리는 불리한 상을 용해하고 Ni3Nb 감마-더블 프라임과 같은 경화 침전물을 촉진하여 최적의 강도를 제공합니다.
인쇄 인코넬 718의 특성
AM 가공은 적절한 최적화를 통해 단조 인코넬 718에 필적하는 기계적 특성을 달성할 수 있습니다:
인코넬 718 기계적 특성
| 속성 | 인쇄된 대로 | 단조 밀 어닐링 |
|---|---|---|
| 인장 강도 | 1000-1300 MPa | 1000-1200 MPa |
| 수율 강도 | 500-1100 MPa | 500-900 MPa |
| 신장 | 10-35% | 20-35% |
| 피로 강도 | 100-600 MPa | 300-500 MPa |
| 경도 | 25-50 HRC | 25-35 HRC |
연신율과 피로 특성은 여전히 낮고 가변적이지만 강도는 단조 수준을 충족하거나 초과합니다.
인장 이방성은 수직 및 수평 빌드 방향 사이에서 관찰됩니다. 속성은 사용된 특정 AM 공정 파라미터에 따라 크게 영향을 받습니다.
인쇄된 인코넬 718의 후처리
표면 마감, 치수 정확도 및 재료 특성을 개선하기 위해 인쇄 후 공정이 필요한 경우가 많습니다:
일반적인 후처리 방법
- 열처리 - 최적의 미세 구조 및 침전물 경화 개발
- 열간 등방성 프레스 - 내부 공극 및 다공성 폐쇄
- 표면 가공 - 중요한 마감을 위한 표면 거칠기 감소
- 샷 피닝 - 압박 스트레스를 유도하여 피로 수명 개선
- 코팅 - 필요한 경우 내마모성 또는 내식성 제공
표준 인코넬 718 시효 경화가 일반적으로 사용되지만 일부는 AM 미세 구조를 위해 열처리를 수정하기도 합니다. 표면 마감 요건이 엄격한 경우 가공, 연삭 또는 연마가 사용됩니다.
인쇄 인코넬 718의 응용 분야
인코넬 718 3D 프린팅 에 적합합니다:
- 항공우주 - 터빈 구성품, 로켓 노즐, 엔진 어셈블리
- 전력 생산 - 가스터빈 고온 섹션 부품, 핵연료 피복재
- 자동차 - 터보차저 휠 및 하우징
- 석유화학 - 다운홀 공구, 밸브, 펌프
- 공간 - 위성 및 발사대 구성 요소
- 약 - 치과 임플란트, 수술 기구
기존 방법과 비교한 이점:
- 복잡한 형상을 위한 자유로운 설계
- 격자 및 토폴로지 최적화를 통한 경량화
- 부품 통합, 조립 감소
- 온디맨드 생산을 위한 리드 타임 단축
- 맞춤형 형상, 디지털 기반 재고 관리
낮은 생산량으로 인한 공정 비용과 규제 산업에서의 인증 문제 등의 한계가 있습니다.
인쇄 인코넬 718 공급업체
전 세계적으로 많은 제조업체가 Inconel 718 3D 프린팅 서비스를 제공합니다:
서비스 제공업체 선택
| 회사 | AM 프로세스 | 추가 자료 | 생산 능력 |
|---|---|---|---|
| GE 애디티브 | DED, 바인더 분사 | 티타늄 합금, 강철, 초합금 | 대용량 |
| 구체화 | 레이저 PBF | 티타늄, 알루미늄, 강철 | 중간 볼륨 |
| 3D Systems | 레이저 PBF, 바인더 분사 | 티타늄, 스테인리스 스틸, CoCr, AlSi10Mg | 중간 규모의 프로토타입 제작 |
| 적도 | 레이저 PBF | 티타늄, 강철, 알루미늄 | 소용량 |
| 목수 첨가제 | 레이저 PBF, E-PBF | 티타늄, 스테인리스, 공구강 | 중간 볼륨 |
대형 OEM과 틈새 AM 서비스 사무소 모두 인코넬 718 프린팅을 제공합니다. 많은 곳에서 2차 마감 작업을 제공합니다.
부품 비용은 주문 크기, 품질 요구 사항 및 사용되는 처리 방법에 따라 $100-500/파운드의 범위로 추정됩니다.
적격 인쇄 인코넬 718 부품
항공우주 및 기타 규제 대상 애플리케이션에는 엄격한 자격 인증 프로토콜이 적용됩니다:
- 다양한 인쇄 방향에 대한 기계적 테스트
- 성분 적합성을 위한 화학 분석
- 결함 검출을 위한 비파괴 평가(NDE)
- 열처리, 열간 등방성 프레스, 가공 시험을 통한 장기 성능 평가
- 프로세스 재현성 평가
- 파라미터 최적화, 마이크로 구조, 결함 예방에 대한 문서화
인장 막대, 피로 샘플 및 재료 쿠폰과 같은 테스트 아티팩트는 인쇄 속성의 특성화를 최적화합니다.
해당 산업 사양을 준수하면 인증 및 생산 승인을 받을 수 있습니다.
자주 묻는 질문
인코넬 718 인쇄에 권장되는 입자 크기는 무엇입니까?
10~45미크론 분말이 일반적이며, 이보다 미세한 ~15미크론 분말은 밀도와 표면 마감은 개선되지만 흐름과 회수율은 저하됩니다.
인코넬 718 프린팅 시 다공성의 원인은 무엇입니까?
불충분한 용융, 레이어 간 융합 부족, 갇힌 가스는 공극을 유발합니다. 에너지 입력, 스캔 패턴, 레이어 두께, 가스 흐름을 최적화하면 공극을 줄일 수 있습니다.
인쇄된 인코넬 718의 피로 수명을 향상시키는 후처리에는 어떤 것이 있습니까?
샷 피닝은 균열 시작과 성장을 억제하는 유익한 압축 응력을 유도합니다. HIP 및 기계 가공은 표면 기공을 닫는 데도 도움이 됩니다.
인쇄된 인코넬 718은 주조 및 단조 718과 어떻게 다릅니까?
적층 가공은 주조 및 단조 소재의 기계적 특성과 유사하지만 미세하고 분리된 미세 구조를 가지고 있습니다. 열처리를 통해 단조 제품에 필적하는 강도를 구현할 수 있습니다.
3D 프린팅용 인코넬 718을 대체할 수 있는 소재에는 어떤 것이 있나요?
코발트 크롬, 625 및 686과 같은 니켈 초합금, 침전 경화 스테인리스강은 유사한 고온 특성을 제공합니다. 티타늄 합금은 낮은 밀도가 중요한 곳에서 탁월한 성능을 발휘합니다.
인코넬 718 및 스테인리스 스틸 바이메탈 부품을 3D 프린팅할 수 있나요?
예, 지향성 에너지 증착은 정밀한 분말 또는 와이어 전환을 통해 이종 합금 사이를 전환하여 다중 재료 부품을 제작할 수 있습니다.
결론
요약하면, 인코넬 718 3D 프린팅은 이 고강도 초합금을 활용하여 탁월한 설계 자유도와 성능 향상을 실현합니다. 부품 요구 사항을 공정 능력에 맞추고 프린팅 파라미터를 최적화하는 것은 기존 방식에 비해 이점을 활용하는 데 있어 핵심입니다. 품질, 특성, 다중 재료 구조 및 비용 면에서 지속적인 발전이 이루어지면서 까다로운 산업 응용 분야 전반에서 인코넬 718 AM의 채택이 계속 확대되고 있습니다.