Udimet 720 Nickellegierungspulver: Hochleistungs-Nickellegierung

Neue Möglichkeiten in der additiven Fertigung und der Aufstieg des Nickellegierungspulvers Udimet 720

Die additive Fertigung (AM), oder 3D-Druck, wie wir sie oft nennen, ist zweifellos eine Revolution in der Herstellung von Hochleistungsteilen.

Um ehrlich zu sein, wer hätte bei unserem Einstieg in die Branche gedacht, dass wir heute Laser zum "Lackieren" von Triebwerksschaufeln oder sogar medizinischen Implantaten einsetzen können?

Das Attraktivste an dieser Technologie ist, dass sie die Fesseln der traditionellen Fertigung sprengen und komplexe geometrische Strukturen realisieren kann, die mühsam sind. Gleichzeitig können die Materialeigenschaften optimiert werden, was einfach für die ultimative Leistung ist.

In diesem Zusammenhang ist der Aufstieg von Udimet 720 Nickellegierungspulver meiner Meinung nach unvermeidlich. Diese Sache, wie die 1 Art von typischen Hochtemperatur-Legierung, seine Leistung in extremen Temperaturen und hohen Stress Umwelt ist wirklich beeindruckend. Wie wir alle wissen, in der Luft-und Raumfahrt, Gasturbine, diese extrem anspruchsvollen Materialien der Industrie, die traditionellen Prozess dieser Art von Legierung Verarbeitung wurde eine Herausforderung.

Die AM-Technologie, insbesondere das Laser Powder Bed Melting (LPBF), bietet Udimet 720 eine völlig neue Bühne für solche Materialien. Man kann sagen, dass ohne AM das Potenzial von Udimet 720 nicht voll ausgeschöpft werden kann.

Udimet 720 Nickellegierungspulver: Warum ist es ideal für die additive Fertigung?

Als 1 langjähriger Experte auf dem Gebiet der additiven Fertigung (AM) weiß ich, dass die Wahl der Materialien einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung des Endprodukts hat.

Unter den vielen Hochleistungslegierungen ist das Pulver aus der Nickellegierung Udimet 720 zweifellos eine der ersten Optionen, die ich empfehle, wenn es um anspruchsvolle Anwendungen geht. Seine Leistung in der additiven Fertigung kann als "erstaunlich" bezeichnet werden.

Analyse der Materialeigenschaften:

Lassen Sie uns zunächst über die zentrale Wettbewerbsfähigkeit von Udimet 720 sprechen.

• Hohe Festigkeit, ausgezeichnete Hochtemperatur-Kriech- und Ermüdungseigenschaften. Dies ist sein wichtigster Vorteil. In meiner Praxis, ob es sich nun um die Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken oder die Hochtemperaturteile von Gasturbinen handelt, gibt es nahezu strenge Anforderungen an die Festigkeit und Verformungsbeständigkeit von Werkstoffen bei extremen Temperaturen. Udim0et 720 mit seiner einzigartigen γ'-Verfestigungsphasenstruktur und seinem Elementverhältnis kann auch unter Arbeitsbedingungen von bis zu 700-800°C eine ausgezeichnete Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit beibehalten. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die Verbesserung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Bauteilen. Ich wage sogar zu behaupten, dass sich damit in bestimmten Hochtemperatur- und Hochbelastungsumgebungen komplexe Strukturen herstellen lassen, die für herkömmliche Herstellungsverfahren unerschwinglich sind.
• Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit. Denken Sie nicht, dass es bei Hochtemperaturlegierungen nur um die mechanischen Eigenschaften geht. Bei der Arbeit in sauerstoffreichen oder korrosiven Hochtemperaturmedien ist auch die Oberflächenstabilität des Werkstoffs entscheidend. Der Zusatz von Chrom, Aluminium und anderen Elementen in Udimet 720 kann eine dichte Oxidschicht auf der Oberfläche bilden, die der Erosion durch Hochtemperaturoxidation und bestimmte korrosive Medien wirksam widerstehen kann. Dies erweitert zweifelsohne den Anwendungsbereich in rauen Umgebungen.
• Vergleich mit anderen Hochtemperaturlegierungspulvern. Im Vergleich zu einigen gängigen Superlegierungen auf Nickelbasis, wie z. B. Inconel 718, weist Udimet 720 in der Regel größere Vorteile bei der Hochtemperaturfestigkeit und den Kriecheigenschaften auf, insbesondere bei Temperaturen über 650 °C. Das bedeutet natürlich auch, dass es etwas schwieriger zu verarbeiten ist, aber wenn man die Leistungsverbesserung des Endprodukts bedenkt, lohnt sich dieser Aufwand auf jeden Fall. Das Udimet 720 wird in der Regel für die ultimative Leistungsgrenze gewählt.

Einfluss der Pulvermorphologie und -qualität auf den AM-Prozess:

Nun wenden wir unsere Aufmerksamkeit dem Pulver selbst zu. Bei der additiven Fertigung ist die "physikalische Form" des Materials ebenso wichtig wie die "chemische Zusammensetzung", und manchmal ist die erste sogar entscheidender.

• Sphärischer Grad, Partikelgrößenverteilung, Fließfähigkeit, scheinbare Dichte und andere wichtige Parameter. Stellen Sie sich vor, Sie bauen eine Burg aus Sand. Wenn die Sandpartikel unterschiedliche Größen und Formen haben, können Sie dann trotzdem eine flache und dichte Struktur bauen? Die additive Fertigung ist auch ein Grund dafür. Die hervorragende Sphärizität gewährleistet die Gleichmäßigkeit und Kompaktheit des Pulvers beim Ausbringen und verringert die Porosität. Eine geeignete Partikelgrößenverteilung gewährleistet eine effiziente Absorption der Energie des Laser- oder Elektronenstrahls und vermeidet ein Überbrennen oder Entschmelzen. Ein gutes Fließverhalten ist die Grundlage für eine effiziente und kontinuierliche Ausbreitung des Pulvers, was sich direkt auf die Druckeffizienz auswirkt. Die stabile Schüttdichte hängt mit der Dickenkonsistenz der einzelnen Pulverschichten zusammen. Abweichungen bei einem dieser Parameter können zu internen Defekten im Druck, Leistungseinbußen oder sogar zum Ausfall des Drucks führen. Dies ist die Lehre, die ich aus unzähligen Experimenten gezogen habe.
• Wie wir die Qualität des Pulvers sicherstellen, um die Erfolgsrate des Drucks und die Leistung der Teile zu optimieren. Offen gesagt, ist unsere Qualitätskontrolle für Udimet 720-Pulver äußerst streng. Bereits bei der Herstellung des Pulvers werden die Rohstoffe streng geprüft und es wird eine fortschrittliche Zerstäubungstechnologie eingesetzt (z. B. Vakuuminduktionsschmelzgaszerstäubung, VIGA), um die Reinheit und Mikrostruktur des Pulvers zu gewährleisten. Anschließend werden eine Reihe strenger Tests durchgeführt: Laserbeugungsmessung der Partikelgrößenverteilung, Bildanalyse der Sphärizität und des Satellitenkugelverhältnisses, Hall-Durchflussmesser und Vibrationstrichtermethode zur Prüfung der Fließfähigkeit sowie der Verdichtungsdichte, der scheinbaren Dichte usw. Wir verwalten sogar die Rückverfolgbarkeit von Charge zu Charge. Meiner Meinung nach ist ein qualitativ hochwertiges Pulver nicht nur für die Erfolgsquote beim Druck wichtig, sondern auch für die Lebensdauer des fertigen Teils - die hervorragenden mechanischen Eigenschaften, die Ermüdungsfestigkeit und die Zuverlässigkeit werden durch jedes einzelne qualifizierte Pulverteilchen gewährleistet.

Fusion des additiven Fertigungsprozesses mit Udimet 720 Nickellegierungspulver

In meiner langjährigen Praxis der additiven Fertigung hat sich das Pulver aus der Nickellegierung Udimet 720 als ein sehr faszinierender Werkstoff erwiesen. Seine hohe Festigkeit, sein ausgezeichnetes Ermüdungsverhalten und seine Stabilität bei hohen Temperaturen machen es in Schlüsselbereichen wie Luft- und Raumfahrt und Energie unersetzlich.

Die Kombination dieser Hochleistungslegierung mit der Technologie der additiven Fertigung (AM) ist zweifelsohne ein wichtiger Schritt im Bereich der Materialwissenschaft und -technik.

Berücksichtigung der Mainstream-AM-Technologie in Udimet 720-Anwendungen

Wenn wir über die Anwendung von Udimet 720 in der additiven Fertigung sprechen, konzentrieren wir uns hauptsächlich auf zwei Haupttechnologien: Laser Powder Bed Melting (LPBF/SLM) und Directed Energy Deposition (DED/LMD). Diese beiden Verfahren haben ihre eigenen Schwerpunkte, und ich werde sie je nach den spezifischen Anwendungsanforderungen und Bauteileigenschaften abwägen.

Laser-Pulver-Bett-Schmelzen (LPBF/SLM):

LPBF/SLM ist zweifellos eines der Verfahren, die ich am häufigsten für Udimet 720 verwende. Es eignet sich hervorragend für die Herstellung von Teilen mit komplexer Geometrie. Um sein Potenzial wirklich auszuschöpfen, ist die Optimierung der Prozessparameter jedoch unerlässlich. Ich beginne in der Regel mit den folgenden Parametern:

• Erfahrung mit der Optimierung von Prozessparametern (Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Schichtdicke, Scanstrategie): Bei ausscheidungsverbesserten Nickelbasis-Superlegierungen wie Udimet 720 habe ich festgestellt, dass die Kombination aus Laserleistung und Scangeschwindigkeit sehr fein eingestellt werden muss. Eine zu hohe Energiezufuhr kann zu groben Körnern führen und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen, während eine zu geringe Energiezufuhr das Risiko unvollständiger Schmelzfehler erhöht. Ich neige dazu, eine etwas geringere Schichtdicke zu verwenden, um die Druckgenauigkeit und Oberflächenqualität zu verbessern. Was die Abtaststrategie anbelangt, so ist das Schachbrettmuster oder die versetzte Abtastung oft wirksam bei der Verringerung von Eigenspannungen, was für mich bei Udimet 720 ein wichtiger Aspekt ist. Um ehrlich zu sein, erfordert dieser Teil eine Menge Experimente und Datenansammlungen, und es gibt keine Abkürzung.
• Eigenspannungen, Herausforderungen bei der Risskontrolle und Lösungen (Vorwärmung, Stützstruktur): 720 Udimet ist sehr anfällig für Eigenspannungen und thermische Risse im LPBF-Verfahren, was man als eine große "Anfälligkeit" bezeichnen kann. Aus diesem Grund verwende ich in der Regel eine höhere Vorwärmtemperatur, z. B. 500 °C oder noch höher, um den Temperaturunterschied zwischen der gedruckten Schicht und dem Substrat zu verringern und so die Entstehung von Rissen wirksam zu verhindern. Gleichzeitig ist auch eine vernünftige Konstruktion der Stützstruktur sehr wichtig. Sie kann nicht nur die Teile fixieren, sondern auch als Kanal für den Wärmeverlust dienen. Normalerweise entwerfe ich dichtere und robustere Stützen, um diese Art von Herausforderung zu bewältigen.
• Erfolgreiches Drucken von komplexen Geometrien: Ich habe die LPBF-Technologie eingesetzt, um erfolgreich einen Prototyp einer Udimet 720-Turbinenschaufel mit internen Kühlkanälen zu drucken, deren Komplexität mit herkömmlichen Verfahren nur schwer zu erreichen ist. Durch die Feinsteuerung der Parameter und die Nachbearbeitung weisen diese Teile eine gute Gleichmäßigkeit des Gewebes und gute mechanische Eigenschaften auf. Es ist eine große Genugtuung zu sehen, wie diese Entwürfe Schritt für Schritt in der Maschine Gestalt annehmen.

Direktionale Energiedeposition (DED/LMD):

Die DED-Technologie zeigt das Anwendungspotenzial des Udimet 720 in einer anderen Dimension. Ich verwende es häufiger für die Reparatur von großen Teilen oder die Herstellung von Strukturen mit funktional abgestuften Eigenschaften.

• Puderzufuhr, Badkontrolle, Wärmemanagement: Die Herausforderung beim DED besteht in der stabilen und präzisen Steuerung der Pulverfördermenge und des dynamischen Verhaltens des Bades. Die Gleichmäßigkeit des Pulverflusses wirkt sich direkt auf die Abscheidequalität aus. Darüber hinaus ist auch das lokale Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung. Eine zu schnelle Abkühlung kann zu Spannungskonzentrationen führen, während eine zu langsame Abkühlung die Produktionseffizienz beeinträchtigen kann. In der Regel passe ich die Laserleistung, die Pulverzufuhrgeschwindigkeit und die Bewegungsgeschwindigkeit an die Geometrie und Größe des Teils an, um ein stabiles und kontrolliertes Schmelzbad zu erhalten.
• Für die Reparatur, funktionell abgestufte Materialherstellung Vorteile: Die Leistung des DED bei der Reparatur von Udimet 720-Teilen ist beeindruckend. So kann beispielsweise die Reparatur eines beschädigten Turbinentriebwerksteils dessen Nutzungsdauer erheblich verlängern. Außerdem kann ich durch Änderung der Pulverzusammensetzung während des Abscheidungsprozesses funktional abgestufte Werkstoffe herstellen, was bei herkömmlichen Verfahren fast unmöglich ist. Stellen Sie sich vor, dass das Innere eines Teils aus Udimet 720 besteht, um eine hohe Temperaturbeständigkeit zu erreichen, und die Oberfläche mit korrosionsbeständigeren Materialien beschichtet wird. Wie flexibel und leistungsstark das ist!
• Praktisches Anwendungsbeispiel: Ich war einmal an einem Projekt beteiligt, bei dem die DED-Technologie zur Reparatur der wichtigsten rotierenden Teile eines Flugzeugtriebwerks eingesetzt wurde. Durch präzise lokale Abscheidung konnten wir die ursprüngliche Größe und Leistung des Teils wiederherstellen und es dazu bringen, strenge Leistungstests zu bestehen. Dieses Projekt hat mich in meiner Überzeugung bestärkt, dass das DED-Verfahren im Bereich der Reparatur von Hochleistungslegierungen ein großes Potenzial hat.

Auswirkung des Nachbehandlungsprozesses auf die Leistung von Udimet 720 AM-Komponenten

Die additive Fertigung ist nur der erste Schritt in der gesamten Herstellungskette. Bei Udimet 720, einem Werkstoff mit extrem hohen Leistungsanforderungen, ist auch der geeignete Nachbehandlungsprozess von entscheidender Bedeutung, der sich direkt auf die Gebrauchstauglichkeit des fertigen Bauteils auswirkt.

• Heiß-Isostatisches Pressen (HIP): Beseitigt interne Porosität, verbessert Dichte und mechanische Eigenschaften: Ich empfehle HIP für fast alle additiv hergestellten Udimet 720-Teile. Das AM-Verfahren erzeugt unweigerlich winzige Poren oder ungeschmolzene Defekte, die die Ermüdungslebensdauer und Bruchzähigkeit des Materials ernsthaft beeinträchtigen. Durch die HIP-Behandlung bei hoher Temperatur und hohem Druck können diese internen Defekte wirksam beseitigt werden, so dass die Bauteildichte auf das Niveau von Guss- oder Schmiedeteilen angehoben wird, was die mechanischen Eigenschaften insgesamt deutlich verbessert. Ohne HIP kann die Leistung von AM-Teilen in vielen Fällen nicht den Konstruktionsanforderungen entsprechen.
• Wärmebehandlung: Optimieren Sie die Mikrostruktur und verbessern Sie die Gesamtleistung: Nach dem HIP ist ein spezielles Wärmebehandlungsverfahren erforderlich, um die Mikrostruktur von Udimet 720 zu optimieren. Dazu gehören in der Regel eine Lösungsbehandlung und eine Alterungsbehandlung. Die Mischkristallbehandlung zielt darauf ab, die verfestigenden Phasenelemente gleichmäßig aufzulösen und die Erstarrungsseigerung zu beseitigen; die Alterungsbehandlung verbessert die Festigkeit und Härte der Legierung, indem sie die Ausscheidungsmorphologie und -verteilung der γ'-Phase kontrolliert. Ich passe die Wärmebehandlungsparameter an die spezifischen Leistungsanforderungen des Endprodukts an, z. B. das Streben nach Endfestigkeit oder besserer Zähigkeit. Dies ist ein schwieriger Abwägungsprozess.
• Oberflächenbehandlung (z. B. Bearbeitung, Polieren): Mit der additiven Fertigung können zwar endkonturnahe Teile hergestellt werden, aber für Teile mit strengen Anforderungen an kritische Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit ist eine anschließende Bearbeitung und Oberflächenpolitur dennoch erforderlich. Dadurch können Oberflächenrauhigkeiten beseitigt, die Ermüdungseigenschaften der Oberfläche verbessert und eine genaue Anpassung an die Gegenstücke gewährleistet werden. Meiner Meinung nach ist die additive Fertigung kein Allheilmittel. Durch die Kombination von additiver Fertigung und herkömmlichen Fertigungsverfahren kann das Potenzial von Udimet 720 voll ausgeschöpft werden.

Der Anwendungsfall Udimet 720 Nickellegierungspulver und Einblicke in die Branche der additiven Fertigung

Udimet 720, diese High-Performance-Nickel-Basis-Superlegierung, seine einzigartige Kornstruktur und hervorragende mechanische Eigenschaften, so dass es in der hohen Temperatur, hohem Druck, Korrosion und anderen extremen Bedingungen der hervorragenden Leistung.

Wenn es in Pulverform bei der additiven Fertigung, insbesondere bei der Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Technologie, eingesetzt wird, ist es einfach ein Tiger mit unbegrenztem Potenzial.

Luft- und Raumfahrt:

Im Bereich der Luft- und Raumfahrt kann die Anwendung von Udimet 720-Pulver als ein Meilenstein des Fortschritts bezeichnet werden. Wir wissen, dass Komponenten von Flugzeugtriebwerken, insbesondere Turbinenschaufeln, Brennkammerkomponenten und Gehäuse von Turbinentriebwerken, über einen langen Zeitraum hinweg unter extrem hohen Temperaturen und Belastungen arbeiten.

Herkömmliche Guss- und Schmiedeverfahren schränken die Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung dieser komplexen Strukturen oft ein, was eine extreme Leichtbau- und Leistungsoptimierung erschwert.

Die additive Fertigung in Verbindung mit dem Udimet 720-Pulver hat all dies jedoch revolutioniert. Ich erinnere mich, dass unser Team in einem frühen Projekt versucht hat, eine komplexe Turbinenschaufel mit der LPBF-Technologie zu bauen.

Bei der herkömmlichen Methode mussten mehrere Teile geschweißt werden, aber jetzt können wir sie in einem Stück formen, was die Anzahl der Verbindungen reduziert und die Zuverlässigkeit erheblich verbessert. Noch wichtiger ist, dass wir durch die additive Fertigung das Design der internen Kühlkanäle optimieren konnten - eine Aufgabe, die mit dem herkömmlichen Verfahren fast unmöglich gewesen wäre. Diese Designflexibilität führt direkt zu einer höheren thermischen Effizienz und einer längeren Lebensdauer der Komponenten.

In einem erfolgreichen Projekt zur Herstellung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt haben wir zum Beispiel eine wichtige Brennkammerkomponente für ein neues Triebwerk gedruckt. Durch die Anwendung von Topologieoptimierung und Gitterstruktur konnte das Gewicht des endgültigen Bauteils um fast 20% reduziert und seine Ermüdungslebensdauer und Hochtemperatur-Kriechleistung deutlich verbessert werden.

Meiner Meinung nach ist dies nicht nur ein technologischer Durchbruch, sondern auch eine Neudefinition des gesamten Luftfahrtdesignkonzepts. Die Verwirklichung von Leichtgewicht und hoher Leistung ist nicht länger ein ferner Traum.

Energie (Gasturbine):

Neben der Luft- und Raumfahrt ist auch der Energiesektor, insbesondere Gasturbinen, ein weiteres großes "Schlachtfeld" für Udimet 720 alloy powder ".

Große Gasturbinen stellen auch extrem hohe Anforderungen an Hochtemperaturkomponenten. Egal, ob es sich um eine große Gasturbine für die Stromerzeugung oder eine Industriegasturbine handelt, die Komponenten des heißen Endes, wie Leitschaufeln, Rotorblätter und Brennkammerauskleidungen, sind hohen Temperaturen von Tausenden von Grad und enormen Zentrifugalkräften ausgesetzt.

Durch den Einsatz von Udimet 720-Pulver für die additive Fertigung können wir nicht nur neue Hochleistungsteile herstellen, sondern auch bei der Reparatur von Teilen einen großen Unterschied erzielen.

Stellen Sie sich eine teure Gasturbinenschaufel vor, die bei nur lokalem Verschleiß oder Rissen bei der herkömmlichen Methode möglicherweise als Ganzes ersetzt werden muss, was enorme Kosten verursacht.

Aber jetzt können wir Udimet 720-Pulver für die lokale Reparatur durch additive Technologien wie die gerichtete Energiedeposition (DED) verwenden, um Materialien präzise abzuscheiden und ihre ursprünglichen Eigenschaften wiederherzustellen. Dadurch wird nicht nur die Lebensdauer der Komponenten erheblich verlängert, sondern auch die Betriebs- und Wartungskosten werden deutlich gesenkt und die Gesamtwirtschaftlichkeit verbessert. Diese Reparaturmöglichkeit ist revolutionär für das Anlagenmanagement in der Energiewirtschaft.