Stampa 3D di polvere metallica di nichel In625 per componenti di turbine aerospaziali

1Introduzione

Le superleghe a base di nichel, in particolare Inconel 625 (In625), sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni aerospaziali a causa della loro eccezionale resistenza ad alte temperature, resistenza alla corrosione e resistenza alla stanchezza.Produzione additiva (AM), o stampa 3D, consente la produzione di componenti complessi di turbine aerospaziali con ridotti rifiuti di materiale e una maggiore flessibilità di progettazione.

Questa descrizione dettagliata copre le proprietà della polvere di metallo In625, i processi di stampa 3D, il post-elaborazione e le applicazioni delle turbine aerospaziali.

2. Inconel 625 (In625) Proprietà della polvere metallica

In625 è una superlega di nichel-cromo-molibdeno con le seguenti caratteristiche chiave:

Composizione chimica (ASTM B443)

Proprietà meccaniche e termiche

• Resistenza alla trazione: 930 MPa (a temperatura ambiente)

• Forza di potenza: 517 MPa

• Allungamento: 42,5%

• Densità: 8,44 g/cm3

• Punto di fusione: 1290 - 1350°C

• Resistenza all'ossidazione: eccellente fino a 980°C

• Resistenza alla corrosione: resistente alle crepe, alla corrosione delle fessure e agli ambienti di acqua salata

Caratteristiche della polvere per la stampa 3D

• Distribuzione della dimensione delle particelle: 15 - 45 μm (per LPBF) o 45 - 106 μm (per DED)

• Morfologia: sferica (per una fluidità ottimale)

• Metodo di produzione della polvere: atomizzazione del gas (argon o azoto)

• Flussibilità: ≤ 25 s/50 g (prova con flussometro Hall)

• Densità apparente: ≥ 4,5 g/cm3

3. Processi di stampa 3D per l'industria aerospaziale

I metodi di stampa 3D metallica più comuni per In625 includono:

A. Fusione a laser in polvere (LPBF / SLM)

• Processo: un laser ad alta potenza fonde selettivamente la polvere In625 strato per strato.

• Vantaggi:

  • Alta precisione (± 0,05 mm)

  • Finitura superficiale fine (Ra 5 - 15 μm)

  • Adatto per canali di raffreddamento interni complessi nelle pale delle turbine

• Parametri tipici:

  • Potenza del laser: 200 - 400 W

  • Spessore dello strato: 20 - 50 μm

  • Velocità di scansione: 800-1200 mm/s

  • Tasso di costruzione: 5 - 20 cm3/h

B. Deposito diretto di energia (DED / LENS)

• Processo: un laser o un fascio di elettroni fondono la polvere In625 mentre viene depositata.

• Vantaggi:

  • Tassi di deposizione più elevati (50-200 cm3/h)

  • Adatti a riparazioni e riparazioni di componenti di grandi turbine

• Parametri tipici:

  • Potenza del laser: 500 - 2000 W

  • Tasso di alimentazione della polvere: 5 - 20 g/min

C. fusione del fascio di elettroni (EBM)

• Processo: utilizza un fascio di elettroni nel vuoto per fondere la polvere In625.

• Vantaggi:

  • Riduzione dello stress residuo (a causa dell'elevata temperatura di pre riscaldamento)

  • Tassi di costruzione più rapidi di LPBF

• Parametri tipici:

  • Corrente del fascio: 5 - 50 mA

  • Tensione di accelerazione: 60 kV

  • Spessore dello strato: 50-100 μm

4. Post-elaborazione per componenti di turbine aerospaziali

Per soddisfare i severi requisiti dell'industria aerospaziale, la post-elaborazione è essenziale:

A. Trattamento termico

• Riduzione dello stress: 870°C per 1 ora (aria raffreddata)

• Soluzione Annellazione: 1150°C per 1 ora (asciugatura con acqua)

• Invecchiamento (se necessario): 700 - 800°C per 8 - 24 ore

B. Pressione isostatica a caldo (HIP)

• Scopo: Elimina la porosità interna (migliora la durata della stanchezza)

• Parametri: 1200°C a 100-150 MPa per 4 ore

C. Meccanica e finitura

• Lavorazione CNC: per caratteristiche a stretta tolleranza

• Finitura superficiale: lucidatura elettrochimica o lavorazione a flusso abrasivo per superfici più lisce

• Test non distruttivi (NDT): TAC a raggi X, test ad ultrasuoni o ispezione dei coloranti penetranti

5Applicazioni aeree e spaziali

In625 stampato in 3D è utilizzato in componenti critici delle turbine, tra cui:

• Turbine blade & vanes (con canali di raffreddamento interni)

• Involucri per combustibile (resistenza al calore e alla corrosione)

• Nozzle di scarico (stabilità ad alta temperatura)

• Busselli del carburante (il motore LEAP di GE Aviation utilizza In625 stampato in 3D)

• Riparazione di parti usate di turbine (via DED)

Vantaggi rispetto alla produzione tradizionale

✔ Riduzione del peso (strutture a reticolo e ottimizzazione della topologia)
✔ Produzione più veloce (senza necessità di attrezzature complesse)
✔ Miglioramento delle prestazioni (canali di raffreddamento ottimizzati)
✔ Risparmio di materiale (produzione quasi a rete)

6. Sfide e tendenze future

Sfide:

• Il costo elevato della polvere In625

• Stressa residua e distorsione (richiede un adeguato trattamento termico)

• Limiti di riutilizzabilità della polvere (in genere 5-10 cicli prima della degradazione)

Tendenze future:

• Ottimizzazione dei processi basata sull'intelligenza artificiale (per la stampa senza difetti)

• Fabbricazione ibrida (combinazione di AM con lavorazione CNC)

• Sviluppo di nuove leghe (varianti ad alta temperatura)