Poudre d'alliage 18ni300 Acier inoxydable Nickel

Author：Enrique J. Lavernia

Enrique J. Lavernia est un scientifique renommé spécialisé dans les matériaux et professeur à l'université A&M du Texas, reconnu pour ses contributions pionnières à la fabrication additive. Ses recherches portent sur les poudres métalliques, notamment leur atomisation, leurs caractéristiques et leur impact sur la qualité des pièces, ainsi que sur l'évolution microstructurale et les performances mécaniques des alliages avancés au cours des processus additifs.

Il a fait progresser la compréhension et l'application de matériaux complexes tels que les alliages d'aluminium et les alliages à haute entropie dans la fabrication additive, et il est co-auteur d'ouvrages faisant autorité sur les poudres métalliques pour la fabrication additive, influençant de manière significative la recherche scientifique et la pratique industrielle.

Analyse en profondeur de la poudre d'alliage 18ni300

Composition de base et classification des matériaux :

Le nom "18Ni300" est en fait très intuitif. Il nous indique deux messages clés : 18% teneur en nickel et le 300 ksi (environ 2070 MPa) résistance à la traction qu'elle peut enfin atteindre.

Un point important doit être souligné ici : la 18Ni300 n'est pas de l'acier inoxydable, c'est le 1 acier maraging (Maraging Steel). En termes de classification stricte des matériaux, il appartient à la catégorie des alliages à base de nickel à haute résistance. L'acier inoxydable dépend principalement du chrome pour former un film passif résistant à la corrosion, tandis que l'acier maraging est complètement différent 1.

Qu'est-ce qui lui permet d'être aussi performant ? Principalement ces éléments d'alliage :

• Nickel (Ni)environ 18%, est un élément central qui forme une matrice martensitique et offre une excellente ténacité.
• Cobalt (Co) est généralement comprise entre 8 et 12%. Sa fonction principale est d'augmenter la température de transformation de la martensite et de favoriser la précipitation des composés intermétalliques au cours du processus de vieillissement.
• Molybdène (Mo)Le nickel et le cobalt, généralement entre 3-5%, contribuent au renforcement de la solution solide et favorisent le durcissement par vieillissement.
• Titane (Ti) et aluminium (Al) sont généralement présents en quantités moindres, mais ils sont essentiels. Ils forment de fins composés intermétalliques (tels que Ni3Ti, Ni3Al) pendant le traitement de vieillissement, et ce sont ces précipités à l'échelle nanométrique qui confèrent au 18Ni300 une résistance ultra-élevée.

Des avantages uniques en matière de performance : Pourquoi est-ce si important ?

À mon avis, la raison pour laquelle le 18Ni300 peut être favorisé dans le domaine de la fabrication additive est principalement due à sa combinaison de propriétés.

• Une très grande résistance combinée à la ténacité : c'est son qualificatif le plus éblouissant. En effet, une fois la fabrication additive (SLM ou EBM) achevée, la résistance à la traction du matériau peut atteindre près de 2000 MPa grâce à un simple traitement thermique. traitement du vieillissement La résistance à la rupture est très élevée - généralement maintenue à 480-500°C pendant plusieurs heures - tout en conservant une excellente résistance à la rupture. Cette combinaison parfaite de résistance et de ténacité est extrêmement rare dans les matériaux traditionnels. Pour nous, qui faisons de l'impression 3D, cela signifie que nous pouvons concevoir des pièces à la fois légères et extrêmement résistantes.
• Excellente stabilité dimensionnelle: La déformation du 18Ni300 est très faible pendant le traitement thermique, en particulier le traitement de vieillissement. C'est tout simplement une aubaine pour la fabrication de pièces de précision. Nous savons tous que de nombreux matériaux subissent une contraction ou une dilatation considérable après le traitement thermique, ce qui rend la précision dimensionnelle difficile à contrôler, mais le 18Ni300 est très stable à cet égard.
• Bonne maniabilité: Bien que nous nous concentrions principalement sur les performances après l'impression 3D, il est également nécessaire de mentionner la phrase 1. A l'état recuit (c'est-à-dire non vieilli), sa dureté est relativement faible, très facile à traiter mécaniquement, comme le tournage, le fraisage. C'est sans doute un plus pour certaines pièces complexes qui nécessitent un post-traitement.
• Résistance à la corrosion: Je dois dire avec réalisme que la résistance à la corrosion du 18Ni300 n'est pas son principal avantage, après tout, ce n'est pas de l'acier inoxydable. Dans certains environnements spécifiques, il se comportera bien, mais si votre application a des exigences élevées en matière de résistance à la corrosion, vous devrez peut-être combiner un traitement de surface ou envisager d'autres alliages plus professionnels résistants à la corrosion. Ne vous attendez pas à ce qu'il soit "en cuir" comme l'acier inoxydable 316L".

Propriétés des matériaux : questions et opportunités :

• Question:
  • Sensibilité des fissures: C'est le premier grand problème que nous rencontrons lors de l'impression 3D. Le 18Ni300 est sensible aux contraintes thermiques lors du processus d'impression, en particulier pour les sections épaisses ou les structures géométriques complexes, où l'accumulation de contraintes internes peut facilement conduire à des fissures. Cela oblige nos ingénieurs à faire beaucoup d'exploration et d'ajustement dans l'optimisation des paramètres d'impression et la stratégie de préchauffage.
  • Contrôle interne du stress: En raison de la fusion et de la solidification rapides, des contraintes résiduelles sont générées à l'intérieur de la pièce imprimée, ce qui affecte non seulement les propriétés mécaniques de la pièce, mais peut également entraîner des déformations, voire des fissures. C'est pourquoi le traitement thermique après l'impression est très important.
  • Optimisation des paramètres d'impression: Trouver la meilleure combinaison de paramètres d'impression est un processus long et coûteux. Chaque appareil, chaque lot de poudre, et même la température ambiante peuvent affecter le résultat final, ce qui nous oblige à investir beaucoup d'énergie pour effectuer des vérifications expérimentales.
• Opportunité:
  • Géométrie complexe et conception légèreLa fabrication additive : c'est le plus grand avantage de la fabrication additive. L'ultra-haute résistance du 18Ni300 nous permet de concevoir des structures plus fines et plus légères tout en restant suffisamment résistantes, comme les structures en grille et les structures bioniques dans le domaine de l'aérospatiale. Ces structures sont hors de portée des procédés de fabrication traditionnels.
  • Pièces personnalisées de haute performance: Pour certaines pièces spéciales qui requièrent des performances extrêmement élevées et ne nécessitent pas un rendement trop important, telles que les inserts de moules, les pièces mécaniques à haute performance et même certains composants clés des moteurs de fusées, le 18Ni300 peut être fabriqué rapidement et efficacement par impression 3D, et ses performances dépassent de loin celles des processus traditionnels.

Scénarios et cas d'application de 18ni300 dans la fabrication additive

Domaine aérospatial :

C'est sans aucun doute le domaine de prédilection du 18Ni300. Composants de satellites, pales de turbines de moteurs à réaction, divers supports complexes et pièces structurelles, tous ces éléments sont soumis à des exigences strictes en matière de résistance, de ténacité et de légèreté des matériaux. La fabrication additive, combinée au 18Ni300, permet des conceptions légères et des rapports résistance/poids élevés qui sont inimaginables avec les processus conventionnels.

Plus important encore, elle peut également imprimer des pièces avec des canaux de refroidissement internes complexes, ce qui est tout simplement révolutionnaire pour les pièces de moteur. Le cycle de fabrication peut également être considérablement raccourci, ce qui est sans aucun doute un atout majeur pour l'industrie aérospatiale, avec une vitesse d'itération rapide.

Par exemple, j'ai été un jour en contact avec un projet visant à fabriquer un certain type de support de vaisseau spatial par impression 3D 18Ni300. Le résultat final est encourageant : non seulement le poids est inférieur d'environ 30% à celui de l'étrier fabriqué de manière traditionnelle, mais les indicateurs clés de performance sont également plus performants. À ce moment-là, j'ai vraiment ressenti l'énorme valeur de cette technologie.

Fabrication de moules et d'outils sur le terrain :

La demande de l'industrie du moule en matière de dureté élevée, de résistance à l'usure et d'efficacité du refroidissement rend le 18Ni300 utile dans la fabrication additive. Les inserts de moules d'injection, les moules de coulée sous pression et même certaines fixations d'outillage peuvent bénéficier de ce matériau et de ce processus. L'avantage le plus important est la capacité de concevoir et d'imprimer des canaux de refroidissement conformes. Cela signifie que vous pouvez rapprocher le liquide de refroidissement le plus possible de la cavité du moule, ce qui améliore considérablement l'efficacité du refroidissement et raccourcit le cycle de moulage par injection. Dans le même temps, la dureté élevée et la résistance à l'usure garantissent également la durée de vie du moule.

Je me souviens qu'un fabricant de moules d'injection a essayé d'utiliser des inserts de moule 18Ni300 imprimés en 3D et que le temps de refroidissement a été réduit de 15%. Ces 15% représentent une réelle amélioration de l'efficacité et une réduction des coûts pour leur production de masse. Cette amélioration intuitive me donne confiance dans l'avenir de la fabrication additive.

Domaine des dispositifs médicaux :

Bien que les alliages de titane soient plus courants dans les implants orthopédiques, les caractéristiques de haute résistance du 18Ni300 lui confèrent un grand potentiel dans certains domaines spécifiques des dispositifs médicaux, en particulier dans les pièces ayant des exigences élevées en matière de port de charge.

La personnalisation est la force de l'impression 3D, qui est particulièrement importante dans le domaine médical, et peut être imprimée avec précision en fonction de l'anatomie du patient. Bien sûr, la biocompatibilité nécessite un traitement de surface supplémentaire pour être optimisée, mais son potentiel en tant que substrat très résistant ne fait aucun doute.

Autres applications à haute performance :

Outre les domaines susmentionnés, le 18Ni300 a également de vastes perspectives d'application dans l'industrie automobile, le domaine militaire, les équipements sportifs haut de gamme, etc. Ces domaines recherchent tous des performances extrêmes et la légèreté, et la combinaison du 18Ni300 et de la fabrication additive répond justement à ces besoins.

Flux de processus et considérations clés pour la fabrication additive 18ni300

Sélection du processus d'impression 3D :

Lorsque nous parlons d'impression 3D pour le 18Ni300, la première chose à faire est de choisir le bon processus d'impression. Actuellement, la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF/SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) sont les deux procédés que nous utilisons le plus.

L-PBF (SLM) : C'est actuellement la technologie la plus utilisée. Elle permet de fondre la poudre métallique couche par couche à l'aide d'un faisceau laser à haute densité d'énergie. Le L-PBF est très performant en termes de densité.

Les pièces imprimées ont une grande précision et une qualité de surface relativement bonne. Mais le problème est que lorsque L-PBF imprime un 18Ni300, les contraintes résiduelles sont très gênantes car elles se refroidissent rapidement et peuvent facilement déformer les pièces, voire les fissurer. Nous prenons généralement des mesures de réchauffement ou ajustons la stratégie de numérisation pour les atténuer, mais il est presque impossible de les éliminer complètement.

EBM : En revanche, l'EBM utilise un faisceau d'électrons comme source de chaleur, fonctionne dans un environnement sous vide et a une température de préchauffage plus élevée. Le problème des contraintes résiduelles est donc bien meilleur lorsque l'EBM traite le 18Ni300, et le risque de déformation est considérablement réduit. En outre, l'efficacité du formage de l'EBM est généralement un peu plus élevée. Cependant, les EBM ont tendance à présenter une rugosité de surface plus importante que les L-PBF, et les coûts d'équipement et la complexité opérationnelle sont relativement élevés.

Caractéristiques de la poudre et gestion :

Pour le 18Ni300, un alliage à haute performance, la qualité de la poudre est déterminante pour la réussite ou l'échec d'une impression.

L'importance de la qualité de la poudre : Nous nous concentrons sur la distribution de la taille des particules - les particules trop grossières et trop fines ne fonctionnent pas, une taille de particule uniforme peut garantir la planéité de la poudre ; la sphéricité, qui affecte directement la fluidité de la poudre, plus la sphéricité est bonne, plus la fluidité de la poudre est bonne, plus la couche de poudre est uniforme, et la densité est plus facile à garantir ; et la teneur en oxygène, qui est un indicateur très critique, et une teneur en oxygène trop élevée peut entraîner des inclusions d'oxyde à l'intérieur de l'impression, ce qui affecte sérieusement les propriétés mécaniques du matériau, en particulier les propriétés de résistance à la fatigue.

Manipulation et stockage des poudres : La poudre doit être gérée avec beaucoup de soin. 18Ni300 Cet alliage est sensible à l'oxydation, la prévention de l'oxydation et de la contamination est donc une priorité absolue. En général, nous procédons au tamisage et à la récupération de la poudre sous protection de gaz inerte, et le stockage doit également se faire dans un conteneur hermétique et sec. Une fois que la poudre est humide ou contaminée, cela peut au moins affecter la qualité de l'impression, et au pire entraîner la mise au rebut du lot, ce qui n'en vaut pas la peine.

Optimisation des paramètres d'impression :

 Paramètres clés :

• Puissance du laser : trop petit pour une fonte insuffisante, trop grand pour une surchauffe.
• Vitesse de numérisation : affecte la densité d'énergie et le comportement du bain de fusion.
• Épaisseur de la couche : affecte directement l'efficacité de l'impression et la rugosité de la surface.
• Stratégies d'analyse : comme le balayage en damier, qui aide à disperser les contraintes résiduelles.
• Température de préchauffage : Dans le cas de la L-PBF, une augmentation appropriée de la température de préchauffage de la plate-forme peut s'avérer très utile pour réduire les contraintes résiduelles.

Ce que j'ai découvert, c'est qu'aucun de ces paramètres n'existe seul et qu'ils s'influencent mutuellement pour former un réseau complexe. Nous devons tâtonner à travers de nombreuses expériences pour trouver le point d'équilibre optimal qui nous permettra d'obtenir la densité la plus élevée, les meilleures propriétés mécaniques et la contrainte résiduelle la plus faible.

Post-traitement :

• Traitement thermique : Le traitement thermique de vieillissement est essentiel pour obtenir une intensité très élevée. Le 18Ni300 imprimé est généralement dans une solution solide et n'est pas très résistant. Nous devons induire la précipitation de composés intermétalliques à l'échelle nanométrique à l'intérieur du matériau par un contrôle précis de la température et de la durée du vieillissement, ce qui permet d'augmenter considérablement sa dureté et sa résistance. Je procède généralement à un traitement en solution pour éliminer les inhomogénéités des tissus pendant l'impression, suivi d'un vieillissement en plusieurs étapes. Le principe est de permettre à la microstructure du matériau de subir un changement de phase par le biais d'un traitement thermique, afin d'améliorer considérablement sa dureté et sa résistance.
• Finition : La surface de l'impression a tendance à être rugueuse et il peut y avoir quelques défauts mineurs à l'intérieur.
• Polissage et sablage : peut améliorer efficacement la rugosité de la surface, ce qui est très important pour les pièces qui nécessitent un ajustement précis.
• Pression isostatique thermique (HIP) : Il s'agit d'un outil très puissant, en particulier pour les pièces fabriquées de manière additive. Il permet d'éliminer efficacement les pores internes et les microfissures à haute température et sous pression, ce qui améliore considérablement la densité et la résistance à la fatigue des pièces.