18Ni300 Legierungspulver Edelstahl Nickel in 3D-Drucktechnik

Geschrieben von：Tresa M. Pollock

Dr. Tresa M. Pollock ist die Alcoa Distinguished Professor of Materials an der University of California, Santa Barbara, und Mitglied der U.S. National Academy of Engineering. Sie erwarb ihren B.S. in Metallurgietechnik an der Purdue University und ihren Ph.D. in Materialwissenschaft und -technik am MIT.

Ihre Forschung umfasst die Bereiche Legierungsdesign, 3-D-Materialcharakterisierung, Verarbeitung und Leistung von Strukturmaterialien in extremen Umgebungen sowie ultraschnelle Laserinteraktionen. Dr. Pollock wurde mit zahlreichen Auszeichnungen geehrt, darunter Stipendien von Fachgesellschaften wie TMS und ASM sowie Führungspositionen wie die des ehemaligen Präsidenten der Minerals, Metals & Materials Society.

In der Welt der metallischen Hochleistungswerkstoffe ist martensitaushärtender Stahl zweifellos der hellste Stern. Mit seiner einzigartigen ultrahohen Festigkeit, seiner ausgezeichneten Zähigkeit und seiner guten Verarbeitbarkeit nimmt er eine unersetzliche Stellung in vielen Bereichen der Spitzentechnologie ein. Der martensitaushärtende Stahl 18Ni300, der einen Nickelgehalt von bis zu 18% aufweist, gehört zu den Spitzenprodukten dieser Art von Stahl. Er findet immer mehr Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Präzisionsformenbau und bei mechanischen Hochleistungsbauteilen mit extrem hohen Leistungsanforderungen. Das Erscheinen von 18Ni300 hat den Engpass traditioneller hochfester Stähle in Bezug auf Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit bis zu einem gewissen Grad behoben.

In diesem Beitrag werden die einzigartigen Vorteile von 18Ni300-Legierungspulver analysiert. Wir werden untersuchen, wie seine exquisite chemische Zusammensetzung ihm außergewöhnliche mechanische Eigenschaften verleiht, sowie die bahnbrechenden Anwendungen und Oberflächen, die 18Ni300-Legierungspulver im aktuellen hochkarätigen Bereich der additiven Fertigung bietet.

warum 18Ni300:

Warum bevorzugen wir unter den vielen Legierungen 18Ni300? Das Legierungspulver 18Ni300, insbesondere seine einzigartige Position im System der Edelstahl-Nickel-Basislegierungen, ist ein Beispiel für die perfekte Kombination von Leistung und Anwendung.

Ultrahohe Festigkeit und Zähigkeit: Er bietet ein perfektes Gleichgewicht zwischen Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit. Im Bereich des traditionellen Stahls muss man oft einen Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit eingehen. Aber 18Ni300, wie der Allrounder, bietet eine extreme Festigkeit, die weit über die von herkömmlichem Stahl hinausgeht, während er gleichzeitig eine ausgezeichnete Bruchzähigkeit beibehält, was ihn zum perfekten Werkstoff für die Konstruktion von Schlüsselkomponenten macht, die hohen Spannungen und Stoßbelastungen standhalten müssen.

Ausgezeichnete Dimensionsstabilität: Im Bereich der Präzisionsfertigung ist die Maßhaltigkeit von Werkstoffen einer der Schlüsselfaktoren, die über Erfolg oder Misserfolg von Produkten entscheiden. Der 18Ni300 hat in dieser Hinsicht außergewöhnlich gut abgeschnitten. Seine niedrigere Martensit-Umwandlungstemperatur bedeutet, dass

Gute Bearbeitbarkeit: Im geglühten Zustand ist 18Ni300 in der Tat relativ "fügsam" und bietet gute Bearbeitungseigenschaften. Das bedeutet, dass wir vor dem endgültigen Härten schneiden, bohren und andere Operationen durchführen können, was die Flexibilität und Effizienz der Fertigung erheblich verbessert. Erwähnenswert ist auch, dass es in Pulverform sehr anpassungsfähig an additive Fertigungsverfahren (wie SLM, EBM) ist. Ich persönlich glaube, dass die Kombination von Pulvermetallurgie und additiver Fertigung eine wichtige Richtung für die zukünftige Entwicklung von 18Ni300 ist. Sie bietet uns unendliche Möglichkeiten, die geometrischen Grenzen der traditionellen Fertigung zu durchbrechen und die integrierte Formgebung komplexer Strukturen zu realisieren.

Anwendungsbereiche: Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften werden die Anwendungsbereiche von 18Ni300 immer umfangreicher, und es handelt sich dabei durchweg um "Hochpräzisionsbereiche". Zum Beispiel, die Luft-und Raumfahrtindustrie Fahrwerkskomponenten und verschiedene strukturelle Teile, seine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit, um die Flugsicherheit zu gewährleisten. Hochleistungsformen, insbesondere Druckgussformen und Kunststoffformen, 18Ni300 kann hohen Temperaturen und hohem Druck standhalten, was die Lebensdauer der Formen erheblich verlängert. Im Rennsport, wo leichtes Gewicht und hohe Festigkeit das ewige Ziel sind, können die Komponenten aus 18Ni300-Legierung die Fahrzeugleistung erheblich verbessern. Sogar in medizinischen Instrumenten wie chirurgischen Werkzeugen oder Implantaten kommt es zum Einsatz. Alles in allem, solange es die Stärke, Zähigkeit, Dimensionsstabilität der Gelegenheit, 18Ni300 ist eine Priorität Option.

Was bedeutet 18Ni300 mittel?

“18”: Der Gehalt an Nickel (Ni) in dieser Legierung beträgt etwa 18% nach Gewicht. Nickel ist nicht nur ein Schlüsselelement für die Bildung von Martensit, sondern auch ein entscheidender Faktor für die anschließende Aushärtung. Ohne genügend Nickel sind die Eigenschaften dieser Legierung nicht zu erreichen. Ich betrachte es immer gerne als das "Skelett" der Legierung, das das gesamte Leistungssystem trägt.

"Ni"Dies ist mehr intuitiv, deutlich darauf hingewiesen, dass dies die Nickel-Basis-Legierung, oder zumindest Nickel-Gehalt ist sehr wichtig Legierung. In der Welt der Legierungen ist die Identifizierung der Elemente von entscheidender Bedeutung, so dass wir schnell in den breiten Kategorien und potenziellen Eigenschaften von Materialien zu sperren.

“300”: Diese Zahl steht für die typische Zugfestigkeit dieser Legierung nach einer Reihe von Wärmebehandlungen, in der Regel in KSI (Kilopound pro Quadratzoll), was etwa 300 KSI entspricht, umgerechnet in die bekanntere Einheit sind es etwa 2070 MPa. Dies ist der wichtigste mechanische Leistungsindex. Wenn Ingenieure mir sagen, dass sie ein hochfestes Material benötigen, denke ich zuerst an diese Legierungen mit hochfesten digitalen Markierungen.

18Ni300 chemische Zusammensetzung:

Die wichtigsten Legierungselemente und ihre Rolle:

• Nickel (Ni, ~ 17,0-19,0%): Nickel ist das "Seelenelement" des martensitischen Stahls. Es stabilisiert nicht nur den Austenit, sondern senkt auch den martensitischen Umwandlungspunkt und sorgt dafür, dass wir eine weiche martensitische Matrix erhalten, die für die anschließende Aushärtung unerlässlich ist. Außerdem verbessert sein Vorhandensein die Zähigkeit der Legierung erheblich, denn hohe Festigkeit ohne Zähigkeit ist nicht das, was wir wollen. Noch besser: Nickel ist auch die Grundlage für die Bildung vieler wichtiger Ausscheidungen.
• Kobalt (Co, ~ 8,5-9,5%): Kobalt ist für mich so etwas wie ein Beschleuniger ". Es kann die Martensit-Umwandlungstemperatur erhöhen, was bedeutet, dass sich beim Abkühlen leichter Martensit bilden kann. Gleichzeitig kann Kobalt auch die Löslichkeit von Nickel in Eisen subtil verringern, was etwas kontraintuitiv klingt, aber tatsächlich kann es die Bildung von Ausscheidungsphasen während des Alterungsprozesses beschleunigen und so die Härte schneller und effektiver verbessern.
• Molybdän (Mo, ~ 4,6-5,2%): Molybdän spielt in 18Ni300 mehrere Rollen. Erstens kann es die Festigkeit der Matrix durch Mischkristallverfestigung erhöhen. Zweitens trägt es zur Verfeinerung des Korns bei und hemmt die Korngrenzenwanderung, was sich sehr positiv auf die Verbesserung der umfassenden mechanischen Eigenschaften des Materials auswirkt. Noch wichtiger ist natürlich, dass Molybdän intermetallische Verbindungen mit Nickel bildet, wie z. B. Ni3Mo, die sich während des Alterungsprozesses ablagern und zur weiteren Verbesserung der Härte der Legierung beitragen.
• Titan (Ti, ~ 0,6-0,8%): Wenn es um Aushärtung geht, dürfen wir Titan niemals ignorieren! Meiner Meinung nach ist Titan der Schlüssel zur "Härteexplosion" von 18Ni300. Es bildet mit Nickel intermetallische Verbindungen wie Ni3Ti, und diese nanoskaligen Ausscheidungen werden in der Martensitmatrix verteilt, um starke Versetzungs-Pinning-Punkte zu bilden, wodurch die Streckgrenze und die Härte des Werkstoffs erheblich verbessert werden. Man kann sagen, dass es ohne Titan kein ikonisches 18Ni300 mit hoher Festigkeit gäbe.
• Aluminium (Al, ~ 0,05-0,15%): Aluminium in dieser Formel, obwohl die Menge ist nicht viel, aber die Wirkung ist nicht klein. Es ist in erster Linie ein wirksames Desoxidationsmittel, das uns hilft, den Sauerstoffgehalt im Schmelzprozess zu kontrollieren. Zweitens kann Aluminium in gewissem Maße auch Körner verfeinern. Natürlich kann es auch an einigen komplexen Mechanismen zur Verstärkung der Ausfällung beteiligt sein.

Kontrolle von Spurenelementen:

Als Werkstoffwissenschaftler habe ich einen fast paranoiden Anspruch an die "Reinheit" von Werkstoffen. Wir kontrollieren streng den Gehalt an schädlichen Verunreinigungen wie Kohlenstoff (C), Schwefel (S) und Phosphor (P), die wie die "schwarzen Schafe" in der Legierung sind. Ein zu hoher Kohlenstoffgehalt beeinträchtigt die Schweißbarkeit und die Zähigkeit; Schwefel und Phosphor bilden an den Korngrenzen leicht Verbindungen mit niedrigem Schmelzpunkt, was zur Versprödung des Materials führt. Daher ist es wichtig, ihren Gehalt auf einem sehr niedrigen Niveau zu halten, um die hervorragende Leistung von 18Ni300 zu gewährleisten.

Um es intuitiver zu machen, habe ich eine Tabelle zusammengestellt, die den typischen Bereich der chemischen Zusammensetzung von 18Ni300 zeigt.

Tabelle: Typischer Bereich der chemischen Zusammensetzung von 18Ni300 (Gewichtsprozent)

Element	Inhalt(%)
Ni	17.0-19.0
Co	8.5-9.5
Mo	4.6-5.2
Ti	0.6-0.8
Al	0.05-0.15
C	<0.03
S	<0.01
P	<0.01
Fe	Bilanz

Anwendung und Herausforderungen von 18Ni300-Legierungspulver in der additiven Fertigung

Synergieeffekt von Pulvermetallurgie und additiver Fertigung

Der Grund, warum sich 18Ni300 perfekt mit der additiven Fertigung kombinieren lässt, liegt darin, dass seine Pulverform den Kern bildet. Bei der additiven Fertigung oder dem 3D-Druck, wie wir oft sagen, handelt es sich im Wesentlichen um "Bausteine", bei denen die Materialien Schicht für Schicht aufeinander geschichtet werden. Wie können wir diese komplexen Geometrien ohne die Pulverform erreichen? Ich weise meine Studenten oft darauf hin, dass die Fließfähigkeit, die Schüttdichte und die Gleichmäßigkeit des Pulvers - scheinbar triviale Parameter - in Wirklichkeit direkt die Qualität und Effizienz unseres endgültigen Drucks bestimmen. Insbesondere bei der Hochleistungslegierung 18Ni300 sind die hohe Reinheit und die perfekte Sphärizität des Pulvers von grundlegender Bedeutung, um die Leistungsfähigkeit des Drucks zu gewährleisten.

Gegenwärtig gibt es zwei Haupttypen von additiven Fertigungstechnologien, die wir am häufigsten einsetzen. Die erste ist Laser-Pulverbettschmelzen (L-PBF), bei dem ein Hochenergielaser zum selektiven Aufschmelzen einer dichten Pulverschicht verwendet wird, was sich besonders für die Herstellung komplexer Teile eignet, die eine extrem hohe Präzision erfordern. Das andere Verfahren ist Elektronenstrahlschmelzen (EBM), das in einer Vakuumumgebung arbeitet und Pulver mit einem Elektronenstrahl aufschmilzt. EBM ist energieeffizienter und kann Eigenspannungen wirksam reduzieren, hat aber den Nachteil, dass die Oberflächenrauheit etwas schlechter sein kann.

Unabhängig von der Technologie sind die Anforderungen an die Pulverqualität sehr hoch. Die Partikelgrößenverteilung des Pulvers liegt in der Regel zwischen 15-45 Mikrometern oder 20-63 Mikrometern, und dieser Bereich muss streng kontrolliert werden. Hinzu kommen die Sphärizität, der Gehalt an Satellitenpulver, der Sauerstoffgehalt und die Oberflächenmorphologie des Pulvers, die sich direkt auf die Stabilität des additiven Fertigungsprozesses sowie die Dichte und die mechanischen Eigenschaften des fertigen Teils auswirken.

Auswirkungen des additiven Fertigungsprozesses auf die Eigenschaften von 18Ni300

Das Schöne an der additiven Fertigung ist ihre "Geschwindigkeit". Aber diese Geschwindigkeit bringt auch einzigartige Herausforderungen mit sich.

schneller Erstarrungseffekt

Bei der additiven Fertigung durchlaufen die Werkstoffe einen extremen Zyklus aus schneller Erwärmung und schneller Abkühlung. Für 18Ni300 bedeutet dies, dass sich sein Mikrogefüge und sein Phasenübergangsprozess stark von dem herkömmlichen Verfahren unterscheiden werden. Durch die schnelle Abkühlung werden die Körner extrem fein und bilden eine so genannte ultrafeine martensitische Struktur. Manchmal kann diese rasche Abkühlung sogar die Bildung bestimmter Alterungsausscheidungen verhindern oder deren Morphologie verändern.

Unter dem Gesichtspunkt der Leistungsfähigkeit verbessert eine feinkörnige Verstärkung in der Regel die anfängliche Festigkeit des Materials, was gut klingt. Wir müssen jedoch auch die Herausforderung sehen. Die durch die schnelle Erstarrung verursachte Kristallorientierung und die Unebenheiten des Gewebes können zu Anisotropie im Druckerzeugnis führen, was bei der späteren Konstruktion und Anwendung ernsthaft berücksichtigt werden muss.

Eigenspannung und Rissbildung

Eigenspannungen, die ein langfristiges Problem im Bereich der additiven Fertigung darstellen. Hohe Temperaturgradienten, schnelles Abkühlen des Materials und ungleichmäßige Schrumpfung sind allesamt Ursachen für Eigenspannungen. Ich habe schon zu viele Teile gesehen, die sich aufgrund von Eigenspannungen verzogen und verformt haben, und sogar Makro- oder Mikrorisse. Das bereitet wirklich Kopfzerbrechen, denn schließlich will niemand, dass die hart gedruckten Teile nicht halten.

Um dieses Problem zu lösen, nehmen wir in der Regel einige Strategien, wie z. B. Vorwärmen des Substrats, die Optimierung der Scan-Strategie (Schachbrett-Scanning ist eine gängige Methode), die Anpassung der Leistung und Geschwindigkeit des Lasers oder Elektronenstrahl, natürlich die spätere Wärmebehandlung, insbesondere Spannungsarmglühen, Es ist auch wichtig.

Kontrolle der Dichte und der Mängel

Die Dichte der Teile ist meiner Meinung nach der Grundstein für den Erfolg der additiven Fertigung. Wenn die Dichte nicht hoch ist, ist es unmöglich, über andere Eigenschaften zu sprechen, insbesondere über die Ermüdungsleistung. Wir müssen an der Quelle ansetzen, d. h. die Qualität des Pulvers kontrollieren - Fließfähigkeit, Schüttdichte, Partikelgrößenverteilung und Reinheit -, die die Grundlage für hochdichte Drucke bilden.

Als Nächstes muss die Optimierung der Prozessparameter wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Linienabstand und Schichtdicke, die sich direkt auf die Energiedichte auswirken, sicherstellen, dass das Pulver vollständig aufgeschmolzen werden kann und ein stabiles Schmelzbad bildet. Gleichzeitig ist auch die Scanning-Strategie entscheidend, um Über- oder Unterbrand zu vermeiden und den Umschmelzbereich zu optimieren. Häufige Defekte wie unvollständige Schmelze, Porosität und Einschlüsse müssen wir nach Kräften zu vermeiden versuchen.

Die Bedeutung von Nachbehandlungsprozessen

Additiv gefertigte Teile erfordern häufig eine Reihe von Nachbearbeitungsschritten. Davon sind zwei Prozesse entscheidend.

Heiß-Isostatisches Pressen (HIP)

Heißes isostatisches Pressen, auch HIP genannt, ist der "Killer" zur Beseitigung der inneren Poren. Unter hohen Temperaturen und hohem Druck wird das Material plastisch verformt und durch Diffusionskriechen verschlossen, so dass die isolierten inneren Poren geschlossen werden. Ich vergleiche das oft mit einer tiefen "Massage" des Teils, um es innen dichter zu machen.

Nach der HIP-Behandlung wird die Dichte des Materials erheblich verbessert, und auch die mechanischen Eigenschaften machen einen qualitativen Sprung, einschließlich Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung und Ermüdungsfestigkeit. Meiner Erfahrung nach kann die Leistung von HIP-behandelten additiv gefertigten 18Ni300-Teilen der von herkömmlichen Schmiedeteilen sehr nahe kommen. Die von uns üblicherweise verwendeten Parameter sind hohe Temperaturen (z. B. 1150-1200 °C), hoher Druck (z. B. 100-150 MPa) und eine Haltezeit von 2-4 Stunden.

Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung, insbesondere die Lösungsbehandlung und die Alterungsbehandlung (Lösungsabschreckung und Alterung), ist ein wichtiger Schritt, um die Ausscheidungshärtung von 18Ni300 einzuleiten und die mechanischen Eigenschaften zu optimieren.

Die erste ist die Lösungsbehandlung. Sein Zweck ist es, die Elemente der Legierung, insbesondere Titan, Molybdän, Kobalt, vollständig in die martensitische Matrix aufgelöst zu ermöglichen. Dadurch werden nicht nur innere Spannungen beseitigt, sondern auch die Organisation wird gleichmäßiger.

Als nächstes folgt die Alterungsbehandlung. Dies ist ein kritischer Moment für die Leistungsexplosion von 18Ni300. Bei einer moderaten Temperatur (in der Regel 480-520 °C) und über einen gewissen Zeitraum hinweg werden Nickel-, Titan- und molybdänreiche intermetallische Verbindungen (z. B. Ni3Ti, Ni3Mo) gleichmäßig in der Martensitmatrix ausgeschieden und bilden eine nanoskalige Dispersionsverstärkungsphase. Diese kleinen Ausscheidungen sind wie unzählige "Stahlnägel", die die Härte und Festigkeit des Werkstoffs erheblich verbessern.

Als typische Wärmebehandlungsparameter werden vorgeschlagen: Lösungsglühen bei 815-830 °C für 1 Stunde, gefolgt von Luftkühlung oder Wasserabschrecken; Alterungsglühen bei 480-520 °C für 3-6 Stunden, gefolgt von Luftkühlung. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass sich die optimalen Wärmebehandlungsparameter für die additive Fertigung von 18Ni300 aufgrund seiner einzigartigen Mikrostruktur von denen für herkömmliche Guss- und Schmiedeteile unterscheiden können, so dass noch Optimierungsarbeiten erforderlich sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das martensitaushärtende Stahlpulver 18Ni300 aufgrund seiner extrem hohen Festigkeit, ausgezeichneten Zähigkeit und guten Dimensionsstabilität breite Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt, bei Präzisionsformen und im Hochleistungsmaschinenbau bietet. Insbesondere in der additiven Fertigung (3D-Druck) bietet 18Ni300-Legierungspulver mit seinen hervorragenden Pulvereigenschaften und seiner Anpassungsfähigkeit eine neue Lösung für das Design komplexer Strukturen und die Herstellung von Leichtgewichten. Durch eine angemessene Kontrolle der Pulverqualität, die Optimierung der Prozessparameter und die Kombination mit heißem isostatischem Pressen, Wärmebehandlung und anderen Nachbearbeitungsmethoden ist die umfassende Leistung von 18Ni300-Teilen mit der von herkömmlichen Schmiedeteilen vergleichbar oder sogar besser als diese. Es ist absehbar, dass mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Pulvermetallurgie und der additiven Fertigungstechnologie der martensitaushärtende Stahl 18Ni300 zu einem wichtigen Werkstoff für die High-End-Fertigung und zu einer treibenden Kraft für die Entwicklung fortschrittlicher Fertigungstechnologien in der Zukunft werden wird.