Polvo de aleación de níquel Udimet 720: Aleación de níquel de alto rendimiento

Nuevas oportunidades en la fabricación aditiva y el auge del polvo de aleación de níquel Udimet 720

La fabricación aditiva (AM), o impresión 3D como solemos llamarla, está creando sin duda una 1 revolución en la fabricación de piezas de alto rendimiento.

Para ser sinceros, cuando entramos en el sector, ¿quién iba a pensar que ahora podríamos utilizar el láser para "pintar" palas de motores de avión o incluso implantes médicos?

Lo más atractivo de esta tecnología es que puede romper los grilletes de la fabricación tradicional y realizar aquellas estructuras geométricas complejas que resultan problemáticas. Al mismo tiempo, puede optimizar las propiedades de los materiales, lo que es simplemente para obtener el máximo rendimiento.

En este contexto, el auge del polvo de aleación de níquel Udimet 720 es inevitable en mi opinión. Esta cosa, como el 1 tipo de aleación típica de alta temperatura, su rendimiento en temperatura extrema y ambiente de alta tensión es realmente impresionante. Como todos sabemos, en la industria aeroespacial, de turbinas de gas, estos materiales extremadamente exigentes, el proceso tradicional de procesamiento de este tipo de aleación ha sido un reto.

La tecnología AM, en concreto la fusión de polvo por láser (LPBF), proporciona un escenario completamente nuevo para Udimet 720 en este tipo de materiales. Se puede decir que sin AM, el potencial de Udimet 720 puede no ser liberado completamente.

Polvo de aleación de níquel Udimet 720: ¿Por qué es ideal para la fabricación aditiva?

Como 1 experto a largo plazo en el campo de la fabricación aditiva (AM), sé que la elección de los materiales tiene un impacto decisivo en el rendimiento del producto final.

Entre las muchas aleaciones de alto rendimiento, el polvo de aleación de níquel Udimet 720 es sin duda una de las opciones que recomendaré en primer lugar cuando considere aplicaciones exigentes. Su rendimiento en la fabricación aditiva puede describirse como "asombroso".

Análisis de las propiedades de los materiales:

En primer lugar, hablemos de la competitividad básica de Udimet 720.

• Alta resistencia, excelentes propiedades de fluencia y fatiga a alta temperatura. Esta es su ventaja más significativa. En mi práctica, ya se trate de los álabes de turbina de los motores aeronáuticos o de las piezas de alta temperatura de las turbinas de gas, existen requisitos casi estrictos en cuanto a la resistencia a la fluencia y la deformación de los materiales a temperaturas extremas. Udim0et 720, con su exclusiva estructura de fase de refuerzo γ' y su relación de elementos, puede mantener una excelente resistencia a la fluencia y a la fatiga en condiciones de trabajo de hasta 700-800°C. Esto es esencial para mejorar la vida útil y la fiabilidad de los componentes. Incluso me atrevería a decir que, en determinados entornos de altas temperaturas y tensiones, puede fabricar estructuras complejas que resultarían prohibitivas para los procesos de fabricación tradicionales.
• Resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación. No piense que las aleaciones de alta temperatura sólo se centran en las propiedades mecánicas. Cuando se trabaja en medios corrosivos o ricos en oxígeno a alta temperatura, la estabilidad de la superficie del material también es fundamental. La adición de cromo, aluminio y otros elementos en Udimet 720 puede formar una densa película de óxido en su superficie, que puede resistir eficazmente la erosión de la oxidación a alta temperatura y ciertos medios corrosivos. Sin duda, esto amplía su campo de aplicación en entornos difíciles.
• Comparación con otros polvos de aleación de alta temperatura. En comparación con algunas superaleaciones comunes a base de níquel, como Inconel 718,Udimet 720 suele mostrar mayores ventajas en cuanto a resistencia a altas temperaturas y propiedades de fluencia, especialmente cuando la temperatura supera los 650°C. Por supuesto, esto también significa que puede ser ligeramente más difícil de procesar, pero teniendo en cuenta la mejora del rendimiento de la pieza final, este esfuerzo merece totalmente la pena. El Udimet 720 suele elegirse para el límite de rendimiento final.

Efecto de la morfología y la calidad del polvo en el proceso de AM:

Ahora nos centraremos en el propio polvo. En la fabricación aditiva, la "forma física" del material es tan importante como la "composición química", y a veces incluso la primera es más decisiva.

• Grado de esfericidad, distribución del tamaño de las partículas, fluidez, densidad aparente y otros parámetros de importancia. Imagina que estás construyendo un castillo con arena. Si las partículas de arena tienen tamaños y formas diferentes, ¿podrá construir una estructura plana y densa? La fabricación aditiva también tiene su razón de ser. La excelente esfericidad garantiza la uniformidad y compacidad del polvo al esparcirlo, y reduce la porosidad. Una distribución adecuada del tamaño de las partículas garantiza una absorción eficaz de la energía del láser o del haz de electrones y evita la sobrecombustión o la falta de fusión. Una buena fluidez es la base de un esparcimiento eficaz y continuo del polvo, lo que afecta directamente a la eficacia de la impresión. La densidad aparente estable está relacionada con la consistencia del espesor de cada capa de polvo. Las desviaciones en cualquiera de estos parámetros pueden provocar defectos internos en la impresión, degradación del rendimiento o incluso el fallo de la impresión. Esta es la lección que he aprendido tras innumerables experimentos.
• Cómo garantizamos la calidad del polvo para optimizar la tasa de éxito de la impresión y el rendimiento de las piezas. Francamente, nuestro control de calidad del polvo Udimet 720 es extremadamente estricto. Empezando por el origen de la producción del polvo, examinamos estrictamente las materias primas y adoptamos una tecnología de atomización avanzada (como la atomización de gas de fusión por inducción al vacío, VIGA) para garantizar la pureza y la microestructura del polvo. Posteriormente, se llevan a cabo una serie de rigurosas pruebas: medición por difracción láser de la distribución del tamaño de las partículas, evaluación por analizador de imágenes de la esfericidad y la proporción de bolas satélite, caudalímetro Hall y método del embudo vibratorio para comprobar la fluidez, así como la densidad de compactación, la densidad aparente, etc. Incluso gestionamos la trazabilidad lote a lote. En mi opinión, el polvo de alta calidad no es sólo para la tasa de éxito de la impresión, sino también para dar "vida" a la pieza final: esas excelentes propiedades mecánicas, vida a la fatiga y fiabilidad, todo ello proviene de cada 1 partículas de polvo cualificadas.

Fusión del proceso de fabricación aditiva con el polvo de aleación de níquel Udimet 720

En mis muchos años de práctica de la fabricación aditiva, el polvo de aleación de níquel Udimet 720 ha sido un material muy fascinante. Su alta resistencia, excelente comportamiento a la fatiga y estabilidad a altas temperaturas lo hacen insustituible en ámbitos clave como el aeroespacial y el energético.

Combinar esta aleación de alto rendimiento con la tecnología de fabricación aditiva (AM) es, sin duda, un paso 1 en el campo de la ciencia y la ingeniería de materiales.

Consideración de la tecnología AM convencional en las aplicaciones Udimet 720

Cuando hablamos de la aplicación de Udimet 720 en la fabricación aditiva, nos centramos principalmente en dos tecnologías principales: la fusión de polvo por láser (LPBF/SLM) y la deposición por energía dirigida (DED/LMD). Estos dos procesos tienen su propio énfasis, y los ponderaré según los requisitos específicos de la aplicación y las características del componente.

Fusión láser en lecho de polvo (LPBF/SLM):

LPBF/SLM es sin duda uno de los procesos que más utilizo para Udimet 720. Destaca en la fabricación de piezas de geometría compleja. Sin embargo, para aprovechar realmente su potencial, la optimización de los parámetros del proceso es esencial. Suelo empezar por lo siguiente:

• Experiencia en la optimización de los parámetros del proceso (potencia del láser, velocidad de escaneado, grosor de la capa, estrategia de escaneado): En el caso de las superaleaciones de base níquel mejoradas por precipitación, como Udimet 720, he descubierto que la combinación de potencia láser y velocidad de escaneado requiere un ajuste muy fino. Un aporte excesivo de energía puede dar lugar a granos gruesos y afectar a las propiedades mecánicas, mientras que una energía insuficiente aumentará el riesgo de defectos de fusión incompleta. Suelo utilizar un grosor de capa ligeramente inferior para mejorar la precisión de la impresión y la calidad de la superficie. En cuanto a la estrategia de escaneado, el escaneado en tablero de ajedrez o escalonado suele ser eficaz para reducir la tensión residual, que es una consideración clave cuando trato con Udimet 720. Para ser sincero, esta pieza requiere muchos experimentos y acumulación de datos, y no hay atajos.
• Tensión residual, retos y soluciones para el control de grietas (precalentamiento, estructura de soporte): 720 Udimet es muy propenso a la tensión residual y a las grietas térmicas en el proceso LPBF, lo que puede decirse que es un gran "temple". Por esta razón, suelo utilizar una temperatura de precalentamiento más alta, como 500°C o incluso más, para reducir la diferencia de temperatura entre la capa impresa y el sustrato, suprimiendo así eficazmente la generación de grietas. Al mismo tiempo, también es muy importante un diseño razonable de la estructura de soporte. No sólo sirve para fijar las piezas, sino también para canalizar la pérdida de calor. Suelo diseñar soportes más densos y robustos para hacer frente a este tipo de retos.
• Impresión satisfactoria de geometrías complejas: He utilizado la tecnología LPBF para imprimir con éxito un prototipo de álabe de turbina Udimet 720 con canales de refrigeración internos de una complejidad difícil de conseguir con los procesos tradicionales. Gracias al control preciso de los parámetros y al tratamiento posterior, estas piezas presentan una buena uniformidad del tejido y propiedades mecánicas. La satisfacción de ver cómo estos diseños van tomando forma paso a paso en la máquina es enorme.

Deposición Direccional de Energía (DED/LMD):

La tecnología DED muestra el potencial de aplicación de Udimet 720 en otra dimensión. Lo utilizo más a menudo para la reparación de piezas grandes o la fabricación de estructuras con propiedades funcionales graduadas.

• Suministro de polvo, control de baños, gestión térmica: El reto de la DED es controlar de forma estable y precisa la tasa de suministro de polvo y el comportamiento dinámico del baño. La uniformidad del flujo de polvo afecta directamente a la calidad de la deposición. Además, la gestión térmica local también es crítica, un enfriamiento demasiado rápido puede provocar concentración de tensiones, mientras que un enfriamiento demasiado lento puede afectar a la eficiencia de la producción. Suelo ajustar la potencia del láser, la velocidad de alimentación del polvo y la velocidad de movimiento en función de la geometría y el tamaño de la pieza para mantener un baño de fusión estable y controlado.
• Para la reparación, ventajas de fabricación de materiales clasificados funcionalmente: El rendimiento del DED en la reparación de piezas Udimet 720 es impresionante. Por ejemplo, la reparación de un componente dañado de un motor de turbina puede prolongar considerablemente su vida útil. Además, al cambiar la composición del polvo durante el proceso de deposición, puedo producir materiales funcionalmente graduados, lo que es casi imposible de conseguir en los procesos tradicionales. Imagínese que el interior de una pieza es Udimet 720 para proporcionar resistencia a altas temperaturas, y la superficie se deposita con materiales más resistentes a la corrosión. ¡Qué flexible y potente es esto!
• Ejemplo de aplicación práctica: Una vez participé en un proyecto en el que se utilizó la tecnología DED para reparar las piezas giratorias clave de un motor de avión. Mediante una deposición local precisa, conseguimos restaurar el tamaño y el rendimiento originales de la pieza y hacer que superara estrictas pruebas de rendimiento. Este proyecto reforzó mi creencia en el gran potencial de la DED en el campo de la reparación de aleaciones de alto rendimiento.

Efecto del proceso de postratamiento en el rendimiento del componente Udimet 720 AM

La fabricación aditiva es sólo el primer paso de toda la cadena de fabricación. En el caso del Udimet 720, un material con unos requisitos de rendimiento extremadamente altos, también es crucial el proceso de postratamiento adecuado, que determina directamente el rendimiento de servicio del componente final.

• Prensado isostático en caliente (HIP): Elimina la porosidad interna, mejora la densidad y las propiedades mecánicas: Recomiendo el HIP para casi todas las piezas Udimet 720 fabricadas mediante aditivos. El proceso de AM produce inevitablemente pequeños poros o defectos no fundidos, que afectarán seriamente a la vida a fatiga y tenacidad a la fractura del material. El tratamiento HIP a través de alta temperatura y alta presión, puede eliminar eficazmente estos defectos internos, de modo que la densidad del componente al nivel de fundición o forja, a fin de mejorar significativamente sus propiedades mecánicas generales. Sin HIP, el rendimiento de las piezas AM no puede cumplir los requisitos de diseño en muchos casos.
• Tratamiento térmico: Optimizar la microestructura y mejorar el rendimiento general: Después del HIP, se requiere un proceso especial de tratamiento térmico para optimizar la microestructura del Udimet 720. Esto incluye normalmente un tratamiento de solución y un tratamiento de envejecimiento. El tratamiento de solución sólida tiene por objeto disolver uniformemente los elementos de la fase de refuerzo y eliminar la segregación de solidificación; el tratamiento de envejecimiento mejora la resistencia y la dureza de la aleación mediante el control de la morfología de precipitación y la distribución de la fase γ'. Ajustaré los parámetros del tratamiento térmico en función de los requisitos específicos de rendimiento de la pieza final, como la búsqueda de la resistencia última o una mejor tenacidad. Se trata de un delicado proceso de equilibrio.
• Tratamientos superficiales (por ejemplo, mecanizado, pulido): Aunque la fabricación aditiva puede producir piezas con formas casi netas, el mecanizado y el pulido superficial posteriores siguen siendo necesarios para piezas con requisitos estrictos de dimensiones críticas y acabados superficiales. Puede eliminar la rugosidad de la superficie, mejorar el rendimiento a la fatiga de la superficie y garantizar un ajuste preciso con las piezas de acoplamiento. En mi opinión, la fabricación aditiva no es una panacea. La combinación de la fabricación aditiva y los procesos de fabricación tradicionales puede realmente aprovechar al máximo el potencial de Udimet 720.

Caso de aplicación del polvo de aleación de níquel Udimet 720 y perspectivas del sector en la fabricación aditiva

Udimet 720, esta superaleación de alto rendimiento a base de níquel, su estructura de grano único y excelentes propiedades mecánicas, por lo que en la alta temperatura, alta presión, corrosión y otras condiciones extremas de excelente rendimiento.

Cuando se aplica en forma de polvo a la fabricación aditiva, especialmente a la tecnología de fusión de lecho de polvo láser (LPBF), es sencillamente un tigre con un potencial ilimitado.

Aeroespacial:

En el campo aeroespacial, puede decirse que la aplicación del polvo Udimet 720 constituye un hito de progreso. Sabemos que los componentes de los motores aeronáuticos, especialmente los álabes de turbina, los componentes de la cámara de combustión y la carcasa de los motores de turbina, trabajan en entornos de temperaturas y tensiones extremadamente altas durante mucho tiempo.

Los procesos tradicionales de fundición y forja suelen tener una libertad de diseño limitada a la hora de fabricar estas estructuras complejas, lo que dificulta la consecución de un peso ligero extremo y la optimización del rendimiento.

Sin embargo, la fabricación aditiva, combinada con el polvo Udimet 720, revolucionó todo eso. Recuerdo a nuestro equipo intentando construir un álabe de turbina complejo utilizando la tecnología LPBF en un primer proyecto.

El método tradicional requería soldar varias piezas, pero ahora podemos formarlas de una sola pieza, lo que reduce el número de uniones y mejora enormemente la fiabilidad. Y lo que es más importante, gracias a la fabricación aditiva pudimos optimizar el diseño de los canales de refrigeración internos, una tarea que habría sido casi imposible con el proceso tradicional. Esta flexibilidad de diseño se traduce directamente en una mayor eficiencia térmica y una vida útil más larga de los componentes".

En un exitoso proyecto de fabricación de componentes aeroespaciales, por ejemplo, imprimimos un componente clave de la cámara de combustión de un nuevo motor. Gracias a la aplicación de la optimización topológica y la estructura reticular, el peso de la pieza final se ha reducido en casi 20%, y su vida útil a la fatiga y su comportamiento a la fluencia a altas temperaturas han mejorado notablemente.

En mi opinión, no se trata sólo de un avance tecnológico, sino también de una redefinición de todo el concepto de diseño aeronáutico. La realización de la ligereza y el alto rendimiento ya no es un sueño lejano.

Energía (turbina de gas):

Además del aeroespacial, el sector energético, especialmente las turbinas de gas, es también otro gran "campo de batalla" para el polvo de aleación Udimet 720 ".

Las grandes turbinas de gas también tienen requisitos muy exigentes en cuanto a componentes de alta temperatura. Tanto si se trata de una gran turbina de gas para generación eléctrica como de una turbina de gas industrial, sus componentes de la parte caliente, como álabes guía, palas del rotor y camisas de la cámara de combustión, están sometidos a altas temperaturas de miles de grados y a enormes fuerzas centrífugas.

Utilizando el polvo Udimet 720 para la fabricación aditiva, no sólo podemos fabricar nuevas piezas de alto rendimiento, sino también marcar una gran diferencia en la reparación de piezas.

Imagínese un costoso álabe de turbina de gas, si sólo hay desgaste local o grietas, el método tradicional puede necesitar ser reemplazado en su totalidad, el coste es enorme.

Pero ahora, podemos utilizar el polvo Udimet 720 para la reparación local a través de tecnologías aditivas como la deposición de energía dirigida (DED) para depositar materiales con precisión y restaurar sus propiedades originales. Esto no sólo prolonga en gran medida la vida útil de los componentes, sino que también reduce significativamente los costes de funcionamiento y mantenimiento, y mejora la eficiencia económica general. Esta capacidad de reparación es revolucionaria para la gestión de activos en la industria energética.