18ni300 Legierungspulver Edelstahl Nickel

Autor：Enrique J. Lavernia

Enrique J. Lavernia ist ein renommierter Werkstoffwissenschaftler und Professor an der Texas A&M University, der für seine bahnbrechenden Beiträge zur additiven Fertigung bekannt ist. Seine Forschung konzentriert sich auf Metallpulver, einschließlich ihrer Zerstäubung, ihrer Eigenschaften und ihrer Auswirkungen auf die Teilequalität, sowie auf die mikrostrukturelle Entwicklung und die mechanische Leistungsfähigkeit moderner Legierungen bei additiven Verfahren.

Er hat das Verständnis und die Anwendung komplexer Werkstoffe wie Aluminiumlegierungen und hochentrope Legierungen in der additiven Fertigung vorangetrieben und maßgebliche Werke über Metallpulver für die additive Fertigung mitverfasst, die sowohl die wissenschaftliche Forschung als auch die industrielle Praxis maßgeblich beeinflusst haben.

Tiefenanalyse des Pulvers der Legierung 18ni300

Grundlegende Zusammensetzung und Klassifizierung von Materialien:

Der Name "18Ni300" ist eigentlich sehr intuitiv. Er sagt uns zwei wichtige Botschaften: 18% Nickelgehalt und die 300 ksi (etwa 2070 MPa) Zugfestigkeit sie endlich erreichen kann.

Ein wichtiger Punkt muss hier hervorgehoben werden: Die 18Ni300 ist kein rostfreier Stahl, sondern der 1 Maraging Steel (Maraging Steel). Nach der strengen Werkstoffklassifizierung gehört er zu den hochfesten Nickelbasislegierungen. Nichtrostender Stahl ist hauptsächlich auf Chrom angewiesen, um eine Passivschicht zum Schutz vor Korrosion zu bilden, während Maraging-Stahl eine völlig andere 1.

Was macht sie so leistungsfähig? Vor allem diese Legierungselemente:

• Nickel (Ni), etwa 18%, ist ein Kernelement, das eine martensitische Matrix bildet und eine hervorragende Zähigkeit aufweist.
• Kobalt (Co) liegt normalerweise zwischen 8-12%. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Martensit-Umwandlungstemperatur zu erhöhen und die Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen während des Alterungsprozesses zu fördern.
• Molybdän (Mo), in der Regel zwischen 3-5%, trägt zur Mischkristallverfestigung bei und fördert zusammen mit Nickel und Kobalt die Aushärtung.
• Titan (Ti) und Aluminium (Al) sind in der Regel in geringeren Mengen vorhanden, sind aber unerlässlich. Sie bilden während der Alterungsbehandlung feine intermetallische Verbindungen (z. B. Ni3Ti, Ni3Al), und es sind diese nanoskaligen Ausscheidungen, die 18Ni300 eine extrem hohe Festigkeit verleihen.

Einzigartige Leistungsvorteile: Warum ist das so wichtig?

Meiner Meinung nach liegt der Grund, warum 18Ni300 im Bereich der additiven Fertigung bevorzugt werden kann, hauptsächlich in der Kombination seiner Eigenschaften.

• Ultrahohe Festigkeit kombiniert mit Zähigkeit: Das ist die schillerndste Eigenschaft des Materials. Bedenken Sie, dass die Zugfestigkeit des Materials nach Abschluss der additiven Fertigung (wie SLM oder EBM) durch eine einfache Wärmebehandlung auf fast 2000 MPa ansteigen kann. Alterungsbehandlung -in der Regel bei 480-500°C für mehrere Stunden- und behält dabei eine ausgezeichnete Bruchzähigkeit. Diese perfekte Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit ist bei herkömmlichen Materialien äußerst selten. Für uns im 3D-Druck bedeutet dies, dass wir Teile entwerfen können, die sowohl leicht als auch extrem stabil sind.
• Ausgezeichnete Dimensionsstabilität: Die Verformung von 18Ni300 ist bei der Wärmebehandlung, insbesondere bei der Alterungsbehandlung, sehr gering. Dies ist einfach ein Segen für die Herstellung von Präzisionsteilen. Wir alle wissen, dass viele Materialien nach der Wärmebehandlung eine beträchtliche Schrumpfung oder Ausdehnung erfahren, was zu einer schwer kontrollierbaren Maßgenauigkeit führt, aber 18Ni300 ist in dieser Hinsicht sehr stabil.
• Gute Verarbeitbarkeit: Obwohl wir uns hauptsächlich auf die Leistung nach dem 3D-Druck konzentrieren, ist es auch notwendig, den Satz 1 zu erwähnen. Im geglühten Zustand (d. h. wenn es nicht gealtert ist) ist seine Härte relativ gering und lässt sich sehr leicht mechanisch bearbeiten, z. B. durch Drehen oder Fräsen. Dies ist zweifellos ein Plus für einige komplexe Teile, die eine Nachbearbeitung erfordern.
• Korrosionsbeständigkeit: Ich muss realistischerweise sagen, dass die Korrosionsbeständigkeit von 18Ni300 nicht sein Hauptvorteil ist, schließlich handelt es sich nicht um rostfreien Stahl. In einigen spezifischen Umgebungen wird es gut funktionieren, aber wenn Ihre Anwendung hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit hat, müssen Sie möglicherweise eine Oberflächenbehandlung kombinieren oder andere, professionellere korrosionsbeständige Legierungen in Betracht ziehen. Erwarten Sie nicht, dass es "lederartig" ist wie 316L-Edelstahl ".

Materialeigenschaften - Probleme und Möglichkeiten:

• Frage:
  • Rissempfindlichkeit: Das ist das eine große Problem, auf das wir beim 3D-Druck stoßen. 18Ni300 reagiert empfindlich auf thermische Spannungen während des Druckprozesses, insbesondere bei dicken Querschnitten oder komplexen geometrischen Strukturen, bei denen interne Spannungsakkumulationen leicht zu Rissen führen können. Dies erfordert von unseren Ingenieuren eine Menge Untersuchungen und Anpassungen bei der Optimierung der Druckparameter und der Vorwärmstrategie.
  • Interne Stresskontrolle: Durch das schnelle Schmelzen und Erstarren entstehen im Inneren des gedruckten Teils Eigenspannungen, die nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Teils beeinträchtigen, sondern auch Verformungen oder sogar Risse verursachen können. Daher ist die Wärmebehandlung nach dem Druck sehr wichtig.
  • Optimierung der Druckparameter: Die Suche nach der besten Kombination von Druckparametern ist ein langwieriger und kostspieliger Prozess. Jedes Gerät, jede Pulvercharge und sogar die Umgebungstemperatur können das Endergebnis beeinflussen, so dass wir viel Energie in die experimentelle Überprüfung investieren müssen.
• Gelegenheit:
  • Komplexe Geometrie und Leichtbauweise: Das ist der größte Vorteil der additiven Fertigung. Die ultrahohe Festigkeit von 18Ni300 bedeutet, dass wir dünnere und leichtere Strukturen entwerfen können, die dennoch stark genug sind, wie z. B. Gitterstrukturen und bionische Strukturen im Bereich der Luft- und Raumfahrt. Dies übersteigt die Möglichkeiten herkömmlicher Fertigungsverfahren.
  • Leistungsstarke kundenspezifische Teile: Für einige spezielle Teile, die eine extrem hohe Leistung erfordern und nicht zu viel Ausstoß benötigen, wie z. B. Formeinsätze, leistungsstarke mechanische Teile und sogar einige Schlüsselkomponenten von Raketentriebwerken, kann 18Ni300 schnell und effizient durch 3D-Druck hergestellt werden, und seine Leistung übertrifft die herkömmlicher Verfahren bei weitem.

Anwendungsszenarien und Fälle von 18ni300 in der additiven Fertigung

Bereich Luft- und Raumfahrt:

Dies ist definitiv die Heimat des 18Ni300. Satellitenkomponenten, Turbinenschaufeln für Düsentriebwerke, verschiedene komplexe Halterungen und Strukturteile, die alle strenge Anforderungen an die Festigkeit, die Zähigkeit und das Gewicht der Materialien stellen. Die additive Fertigung in Verbindung mit 18Ni300 ermöglicht leichte Konstruktionen und ein hohes Festigkeits-/Gewichtsverhältnis, das mit herkömmlichen Verfahren unvorstellbar ist.

Noch wichtiger ist, dass auch Teile mit komplexen internen Kühlkanälen gedruckt werden können, was für Triebwerksteile einfach revolutionär ist. Auch der Herstellungszyklus kann erheblich verkürzt werden, was für die Luft- und Raumfahrtindustrie mit ihrer hohen Iterationsgeschwindigkeit zweifellos ein großer Segen ist.

Ich bin zum Beispiel einmal mit einem Projekt in Berührung gekommen, bei dem es darum ging, eine bestimmte Art von Halterung für Raumfahrzeuge durch 3D-Druck von 18Ni300 herzustellen. Das Endergebnis ist ermutigend, nicht nur etwa 30% weniger Gewicht als die herkömmliche Herstellung Stent, sondern auch eine bessere Leistung in wichtigen Leistungsindikatoren. In diesem Moment spürte ich wirklich den großen Wert dieser Technologie.

Formenbau und Werkzeuge in der Praxis:

Die Nachfrage der Werkzeugindustrie nach hoher Härte, Verschleißfestigkeit und Kühleffizienz macht 18Ni300 für die additive Fertigung nützlich. Spritzgussformeinsätze, Druckgussformen und sogar einige Werkzeugvorrichtungen können von diesem Material und Verfahren profitieren. Der größte Vorteil ist die Möglichkeit, konforme Kühlkanäle zu entwerfen und zu drucken. Das bedeutet, dass man das Kühlmittel so nah wie möglich an den Formhohlraum heranbringen kann, was die Kühleffizienz erheblich verbessert und den Spritzgießzyklus verkürzt. Gleichzeitig wird durch die hohe Härte und Verschleißfestigkeit die Lebensdauer der Form gewährleistet.

Ich erinnere mich, dass ein Hersteller von Spritzgussformen versucht hat, 3D-gedruckte 18Ni300-Formeinsätze zu verwenden, und die Kühlzeit wurde um 15% reduziert. Diese 15% sind eine echte Effizienzsteigerung und Kosteneinsparung für die Massenproduktion. Diese intuitive Verbesserung stimmt mich zuversichtlich für die Zukunft der additiven Fertigung.

Bereich Medizinprodukte:

Obwohl Titanlegierungen häufiger in orthopädischen Implantaten verwendet werden, hat 18Ni300 aufgrund seiner hohen Festigkeitseigenschaften ein großes Potenzial in bestimmten Bereichen der Medizintechnik, insbesondere bei Teilen mit hohen Tragfähigkeitsanforderungen.

Die Stärke des 3D-Drucks, der vor allem im medizinischen Bereich wichtig ist, liegt in der individuellen Anpassung an die Anatomie des Patienten. Natürlich muss die Biokompatibilität durch eine weitere Oberflächenbehandlung optimiert werden, aber sein Potenzial als hochfestes Substrat steht außer Zweifel.

Andere Hochleistungsanwendungen:

Neben den oben genannten Bereichen bietet 18Ni300 auch breite Anwendungsmöglichkeiten in der Automobilindustrie, im militärischen Bereich, bei High-End-Sportgeräten usw. Alle diese Bereiche streben nach extremer Leistung und geringem Gewicht, und die Kombination aus 18Ni300 und additiver Fertigung erfüllt genau diese Anforderungen.

Prozessablauf und wichtige Überlegungen zur additiven Fertigung 18ni300

Auswahl des 3D-Druckverfahrens:

Wenn wir über 3D-Druck für 18Ni300 sprechen, müssen wir zunächst das richtige Druckverfahren auswählen. Derzeit sind das Laser-Pulverbettschmelzen (L-PBF/SLM) und das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) die beiden von uns am häufigsten verwendeten Verfahren.

L-PBF (SLM): Sie ist derzeit die am weitesten verbreitete Technologie. Dabei wird Metallpulver Schicht für Schicht durch einen Laserstrahl mit hoher Energiedichte geschmolzen. Das L-PBF-Verfahren weist eine sehr hohe Dichte auf.

Die gedruckten Teile haben eine hohe Präzision und eine relativ gute Oberflächenqualität. Das Problem ist jedoch, dass beim L-PBF-Drucken von 18Ni300 Eigenspannungen ein großes Problem darstellen, weil sie schnell abkühlen und leicht zu Verformungen oder sogar Rissen führen können. Normalerweise ergreifen wir einige Aufwärmmaßnahmen oder passen die Scanstrategie an, um sie zu verringern, aber ihre vollständige Beseitigung ist fast unmöglich.

EBM: Im Gegensatz dazu verwendet das EBM einen Elektronenstrahl als Wärmequelle, arbeitet in einer Vakuumumgebung und hat eine höhere Vorwärmtemperatur. Dadurch wird das Eigenspannungsproblem beim EBM-Verfahren für 18Ni300 wesentlich besser gelöst, und die Gefahr der Verformung wird stark verringert. Darüber hinaus ist die Umformeffizienz von EBM in der Regel etwas höher. Allerdings weisen EBMs in der Regel eine schlechtere Oberflächenrauhigkeit auf als L-PBFs, und die Ausrüstungskosten und die betriebliche Komplexität sind relativ hoch.

Pulvereigenschaften und Management:

Bei 18Ni300, einer Hochleistungslegierung, entscheidet die Qualität des Pulvers über Erfolg oder Misserfolg eines Drucks.

Die Bedeutung der Pulverqualität: Unser Schwerpunkt liegt auf der Partikelgrößenverteilung - zu grob und zu fein funktioniert nicht, eine einheitliche Partikelgröße kann die Ebenheit des Pulvers gewährleisten; die Sphärizität wirkt sich direkt auf die Fließfähigkeit des Pulvers aus, je besser die Sphärizität, desto besser die Fließfähigkeit des Pulvers, desto gleichmäßiger die Pulverschicht, und die Dichte ist leichter zu gewährleisten; und der Sauerstoffgehalt ist ein sehr kritischer Indikator, und ein zu hoher Sauerstoffgehalt kann zu Oxideinschlüssen im Inneren des Drucks führen, was die mechanischen Eigenschaften des Materials, insbesondere die Ermüdungseigenschaften, stark beeinträchtigt.

Handhabung und Lagerung des Pulvers: Das Pulver sollte sehr sorgfältig gehandhabt werden. 18Ni300 Diese Legierung ist oxidationsempfindlich, daher hat die Vermeidung von Oxidation und Verunreinigung oberste Priorität. In der Regel führen wir das Sieben und die Rückgewinnung des Pulvers unter Schutzgas durch, und auch bei der Lagerung muss es in einem versiegelten, trockenen Behälter aufbewahrt werden. Sobald das Pulver feucht oder verunreinigt wird, kann dies zumindest die Qualität des Drucks beeinträchtigen und schlimmstenfalls dazu führen, dass die Charge verschrottet werden muss, was den Gewinn nicht wert ist.

Optimierung der Druckparameter:

 Wichtige Parameter:

• Laserleistung: zu klein für unzureichendes Schmelzen, zu groß für Überbrennen.
• Scangeschwindigkeit: beeinflusst die Energiedichte und das Verhalten des Schmelzbades.
• Schichtdicke: wirkt sich direkt auf die Druckeffizienz und die Oberflächenrauhigkeit aus.
• Strategien zum Scannen: schachbrettartige Abtastung, die zur Verteilung der Eigenspannung beiträgt.
• Vorwärmtemperatur: Bei L-PBF kann eine angemessene Erhöhung der Vorwärmtemperatur der Plattform sehr hilfreich sein, um Eigenspannungen zu reduzieren.

Ich habe festgestellt, dass keiner dieser Parameter für sich allein existiert, sondern dass sie sich gegenseitig beeinflussen und ein komplexes Netzwerk bilden. Wir müssen viele Experimente durchführen, um den optimalen Gleichgewichtspunkt zu finden, der die höchste Dichte, die besten mechanischen Eigenschaften und die geringste Eigenspannung gewährleistet.

Nachbearbeitung:

• Wärmebehandlung: Die Alterungswärmebehandlung ist der Schlüssel zum Erreichen der ultrahohen Intensität. Das gedruckte 18Ni300 liegt normalerweise in einer festen Lösung vor und ist nicht sehr fest. Wir müssen die Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen im Nanomaßstab im Inneren des Materials durch eine präzise Steuerung der Alterungstemperatur und -zeit herbeiführen und dadurch seine Härte und Festigkeit deutlich erhöhen. Ich führe in der Regel eine Lösungsbehandlung durch, um Inhomogenitäten im Gewebe während des Drucks zu beseitigen, gefolgt von einer mehrstufigen Alterung. Das Prinzip dabei ist, die Mikrostruktur im Inneren des Materials durch eine Wärmebehandlung einer Phasenänderung zu unterziehen, so dass seine Härte und Festigkeit erheblich verbessert werden kann.
• Beenden: Die Oberfläche des Drucks ist in der Regel rau, und im Innern können einige kleinere Mängel auftreten.
• Polieren und Sandstrahlen: kann die Oberflächenrauhigkeit wirksam verbessern und ist sehr wichtig für Teile, die eine gute Passform erfordern.
• Thermisch isostatischer Druck (HIP): Dies ist ein sehr leistungsfähiges Werkzeug, insbesondere für additiv gefertigte Teile. Es kann interne Poren und Mikrorisse unter hoher Temperatur und hohem Druck effektiv beseitigen und so die Dichte und Ermüdungsleistung der Teile erheblich verbessern.