Poudre d'alliage 18Ni300 Acier inoxydable Nickel en écriture 3D

Écrit par Tresa M. Pollock

Tresa M. Pollock est Alcoa Distinguished Professor of Materials à l'université de Californie, Santa Barbara, et membre de l'Académie nationale d'ingénierie des États-Unis. Elle est titulaire d'une licence en ingénierie métallurgique de l'université de Purdue et d'un doctorat en science et ingénierie des matériaux du MIT.

Ses recherches portent sur la conception d'alliages, la caractérisation des matériaux en trois dimensions, le traitement et la performance des matériaux structurels dans des environnements extrêmes et les interactions laser ultrarapides. Le Dr Pollock a reçu de nombreuses distinctions, notamment des bourses de sociétés professionnelles telles que TMS et ASM, et des rôles de direction tels que celui d'ancien président de la Minerals, Metals & Materials Society.

Dans le monde des matériaux métalliques à haute performance, l'acier maraging est sans aucun doute l'étoile la plus brillante. Grâce à sa résistance ultra-élevée unique, à son excellente ténacité et à sa bonne usinabilité, il occupe une position irremplaçable dans de nombreux domaines de pointe. Dans ce type d'acier, l'acier maraging 18Ni300, dont la teneur en nickel peut atteindre 18%, est l'un des plus en vue. Il présente des perspectives d'application de plus en plus étendues dans l'aérospatiale, la fabrication de moules de précision et les pièces mécaniques à haute performance avec des exigences de performance extrêmement strictes. L'apparition du 18Ni300 a permis de résoudre, dans une certaine mesure, le problème de la ténacité et de la résistance à la fatigue des aciers à haute résistance traditionnels.

Cet article analyse les avantages uniques de la poudre d'alliage 18Ni300. Nous explorerons comment sa composition chimique exquise lui confère des propriétés mécaniques extraordinaires, ainsi que les applications de pointe et les surfaces apportées par la poudre d'alliage 18Ni300 dans le domaine actuel très en vue de la fabrication additive.

pourquoi choisir 18Ni300 :

Parmi les nombreux alliages, pourquoi privilégier le 18Ni300 ? La poudre d'alliage 18Ni300, et plus particulièrement sa position unique dans le système des alliages à base d'acier inoxydable et de nickel, est un exemple de la combinaison parfaite entre performance et application.

Résistance et robustesse très élevées: Il présente un équilibre parfait entre la limite d'élasticité, la résistance à la traction et la ténacité. Dans le domaine de l'acier traditionnel, il faut souvent faire un compromis entre la résistance et la ténacité. Mais le 18Ni300, comme le joueur polyvalent, offre une résistance extrême bien supérieure à celle de l'acier traditionnel tout en conservant une excellente ténacité, ce qui en fait le matériau idéal pour la conception de composants clés qui doivent résister à des contraintes et à des charges d'impact élevées.

Excellente stabilité dimensionnelle: Dans le domaine de la fabrication de précision, la stabilité dimensionnelle des matériaux est l'un des facteurs clés qui déterminent le succès ou l'échec des produits. Le 18Ni300 a obtenu des résultats exceptionnels à cet égard. Sa température de transformation en martensite plus basse signifie que

Bonne usinabilité: Ne regardez pas sa résistance finale si élevée, à l'état recuit, le 18Ni300 est en fait relativement "docile", avec de bonnes performances d'usinage. Cela signifie qu'avant le processus de durcissement final, nous pouvons couper, percer et effectuer d'autres opérations, ce qui améliore considérablement la flexibilité et l'efficacité de la fabrication. Il convient de mentionner que lorsqu'il est sous forme de poudre, il s'adapte très bien aux processus de fabrication additive (tels que SLM, EBM). Je pense personnellement que la combinaison de la métallurgie des poudres et de la fabrication additive est une orientation importante pour le développement futur du 18Ni300. Elle nous offre des possibilités infinies pour dépasser les limites géométriques de la fabrication traditionnelle et réaliser le moulage intégré de structures complexes.

Domaines d'application: En raison de ces excellentes caractéristiques, les domaines d'application du 18Ni300 sont de plus en plus étendus, et ce sont tous des domaines de "haute précision". Par exemple, les composants des trains d'atterrissage de l'industrie aérospatiale et diverses pièces structurelles, dont la résistance et la ténacité élevées garantissent la sécurité des vols. Les moules à haute performance, en particulier les moules de coulée sous pression et les moules en plastique, le 18Ni300 peut résister à des températures et à des pressions élevées, ce qui prolonge considérablement la durée de vie des moules. Dans le domaine de la course automobile, la légèreté et la haute résistance sont la quête éternelle, les composants en alliage 18Ni300 peuvent améliorer de manière significative les performances des véhicules. Il peut même être utilisé dans des instruments médicaux, tels que des outils chirurgicaux ou des implants. Dans l'ensemble, tant que la résistance, la ténacité et la stabilité dimensionnelle sont au rendez-vous, l'alliage 18Ni300 est une option prioritaire.

Qu'est-ce que 18Ni300 moyenne?

“18”: La teneur en nickel (Ni) de cet alliage est d'environ 18% en poids. Le nickel n'est pas seulement un élément clé dans la formation de la martensite, mais aussi un facteur décisif dans le durcissement ultérieur par vieillissement. Sans une quantité suffisante de nickel, les propriétés de cet alliage ne sont pas envisageables. J'aime toujours considérer le nickel comme le "squelette" de l'alliage, qui soutient l'ensemble du système de performance.

"Ni"L'identification des éléments est plus intuitive, elle indique clairement qu'il s'agit d'un alliage à base de nickel, ou du moins que la teneur en nickel est très importante dans l'alliage. Dans le monde des alliages, l'identification des éléments est cruciale, nous permettant de verrouiller rapidement les grandes catégories et les propriétés potentielles des matériaux.

“300”: Ce chiffre représente la résistance à la traction typique de cet alliage après une série de traitements thermiques, généralement en KSI (kilopounds per square inch), qui est d'environ 300 KSI, converti en unité plus familière, il est d'environ 2070 MPa. Il s'agit de l'indice de performance mécanique le plus important. Lorsque les ingénieurs me disent qu'ils ont besoin d'un matériau à haute résistance, je pense d'abord à ces alliages avec des marquages numériques à haute résistance.

Composition chimique de 18Ni300 :

Les principaux éléments d'alliage et leur rôle :

• Nickel (Ni, ~ 17,0-19,0%) : Le nickel est l'élément "âme" de l'acier maraging. Non seulement il stabilise l'austénite, mais il réduit le point de transformation martensitique et garantit l'obtention d'une matrice martensitique souple, essentielle pour le durcissement ultérieur par vieillissement. De plus, sa présence améliore considérablement la ténacité de l'alliage. Vous savez, une haute résistance sans ténacité, ce n'est pas ce que nous voulons. Mieux encore, le nickel est également à la base de la formation de nombreux précipités clés.
• Cobalt (Co, ~ 8,5-9,5%) : Le cobalt est pour moi un peu un accélérateur ". Il peut augmenter la température de transformation de la martensite, ce qui signifie qu'il est plus facile de former de la martensite pendant le refroidissement. En même temps, le cobalt peut aussi réduire subtilement la solubilité du nickel dans le fer, ce qui semble un peu contre-intuitif, mais en fait, il peut accélérer la formation de phases précipitées pendant le processus de vieillissement, améliorant ainsi la dureté plus rapidement et plus efficacement.
• Molybdène (Mo, ~ 4.6-5.2%) : Le molybdène joue plusieurs rôles dans le 18Ni300. Tout d'abord, il peut améliorer la résistance de la matrice en renforçant la solution solide. Deuxièmement, il contribue à affiner le grain et à inhiber la migration des joints de grain, ce qui est très bénéfique pour améliorer les propriétés mécaniques globales du matériau. Bien sûr, le plus important est que le molybdène forme des composés intermétalliques avec le nickel, tels que Ni3Mo, qui précipitent pendant le processus de vieillissement et contribuent à l'amélioration de la dureté de l'alliage.
• Titane (Ti, ~ 0,6-0,8%) : Lorsqu'il s'agit de durcissement par vieillissement, nous ne pouvons jamais ignorer le titane ! À mon avis, le titane est la clé de l'"explosion de dureté" du 18Ni300. Il forme des composés intermétalliques tels que Ni3Ti avec le nickel, et ces précipités à l'échelle nanométrique sont dispersés dans la matrice de martensite pour former des points d'épinglage de dislocation puissants, améliorant ainsi de manière significative la limite d'élasticité et la dureté du matériau. On peut dire que sans le titane, il n'y aurait pas de 18Ni300 iconique à haute résistance.
• Aluminium (Al, ~ 0,05-0,15%) : L'aluminium dans cette formule, bien que la quantité ne soit pas importante, a un effet non négligeable. Il s'agit avant tout d'un désoxydant efficace qui nous aide à contrôler la teneur en oxygène dans le processus de fusion. Deuxièmement, l'aluminium peut également raffiner les grains dans une certaine mesure. Bien entendu, il peut également être impliqué dans certains mécanismes complexes de renforcement de la précipitation.

Contrôle des oligo-éléments :

En tant que scientifique spécialiste des matériaux, j'ai une exigence presque paranoïaque en ce qui concerne la "pureté" des matériaux. Nous contrôlons strictement la teneur en impuretés nocives telles que le carbone (C), le soufre (S) et le phosphore (P), qui sont comme le "mouton noir" de l'alliage. Une teneur excessive en carbone affecte la soudabilité et la ténacité ; le soufre et le phosphore forment facilement des composés à bas point de fusion aux joints de grains, ce qui fragilise le matériau. Il est donc essentiel de maintenir leur teneur à un niveau très bas pour garantir les excellentes performances du 18Ni300.

Pour rendre les choses plus intuitives, j'ai compilé un tableau montrant la gamme de composition chimique typique de 18Ni300.

Tableau : Gamme de composition chimique typique de 18Ni300 (pourcentage de poids)

Élément	Contenu (%)
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	Équilibre

Application et défis de la poudre d'alliage 18Ni300 dans la fabrication additive

Effet synergique de la métallurgie des poudres et de la fabrication additive

La raison pour laquelle le 18Ni300 peut être parfaitement associé à la fabrication additive est que sa forme de poudre en constitue le cœur. La fabrication additive, ou l'impression 3D comme nous le disons souvent, consiste essentiellement à "construire des blocs", en empilant des matériaux couche par couche. Comment pouvons-nous obtenir ces géométries complexes sans la forme de la poudre ? J'insiste souvent auprès de mes étudiants sur le fait que la fluidité, la densité apparente et l'uniformité de la poudre - des paramètres apparemment triviaux - déterminent en fait directement la qualité et l'efficacité de l'impression finale. En particulier pour l'alliage haute performance 18Ni300, la pureté élevée et la sphéricité parfaite de la poudre sont fondamentales pour garantir la performance de l'impression.

À l'heure actuelle, il existe deux grands types de technologies de fabrication additive que nous utilisons le plus couramment. Le premier est fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), qui utilise un laser à haute énergie pour faire fondre sélectivement une couche de poudre dense, ce qui est particulièrement adapté à la fabrication de pièces complexes nécessitant une très grande précision. L'autre est le fusion par faisceau d'électrons (EBM), qui fonctionne dans un environnement sous vide et fait fondre la poudre à l'aide d'un faisceau d'électrons. L'EBM est plus économe en énergie et peut réduire efficacement les contraintes résiduelles, mais l'inconvénient est que la rugosité de la surface peut être légèrement inférieure.

Quelle que soit la technologie utilisée, les exigences en matière de qualité de la poudre sont très strictes. La distribution de la taille des particules de la poudre se situe généralement entre 15 et 45 microns ou entre 20 et 63 microns, et cette fourchette doit être strictement contrôlée. Il y a aussi la sphéricité, la teneur en poudre satellite, la teneur en oxygène et la morphologie de la surface de la poudre, qui affectent directement la stabilité du processus de fabrication additive ainsi que la densité et les propriétés mécaniques de la pièce finale.

Effet du processus de fabrication additive sur les propriétés du 18Ni300

La beauté de la fabrication additive réside dans sa "rapidité". Mais cette rapidité s'accompagne également de défis uniques.

effet de solidification rapide

Au cours de la fabrication additive, les matériaux subissent un cycle extrême de chauffage et de refroidissement rapides. Pour le 18Ni300, cela signifie que sa microstructure et son processus de transition de phase seront très différents du processus traditionnel. Le refroidissement rapide rend les grains extrêmement fins, formant ce que nous appelons une structure martensitique ultrafine. Parfois, ce refroidissement rapide peut même inhiber la formation de certains précipités de vieillissement ou modifier leur morphologie.

Du point de vue des performances, le renforcement à grain fin améliore généralement la résistance initiale du matériau, ce qui est très bien. Cependant, nous devons également prendre en compte le défi que cela représente. L'orientation des cristaux et les irrégularités du tissu causées par la solidification rapide peuvent entraîner une anisotropie dans le produit imprimé, ce qui doit être sérieusement pris en compte pour la conception et l'application ultérieures.

les contraintes résiduelles et la fissuration

les contraintes résiduelles, qui constituent un problème à long terme dans le domaine de la fabrication additive. Les gradients de température élevés, le refroidissement rapide du matériau et le retrait inégal sont autant de causes de contraintes résiduelles. J'ai vu trop de pièces gauchies et déformées à cause des contraintes résiduelles, et même des macro ou microfissures. C'est vraiment un casse-tête, après tout, personne ne veut voir les pièces imprimées en dur tomber en panne.

Pour résoudre ce problème, nous adoptons généralement certaines stratégies, telles que le préchauffage du substrat, l'optimisation de la stratégie de balayage (le balayage en échiquier est une méthode courante), l'ajustement de la puissance et de la vitesse du laser ou du faisceau d'électrons, bien sûr, le traitement thermique ultérieur, en particulier le recuit de détente, est également essentiel.

Contrôle de la densité et des défauts

La densité des pièces, je pense que c'est la pierre angulaire du succès de la fabrication additive. Si la densité n'est pas élevée, il est impossible de parler d'autres propriétés, en particulier de la performance en fatigue. Nous devons commencer par la source, c'est-à-dire contrôler la qualité de la poudre - fluidité, densité apparente, distribution de la taille des particules et pureté - qui est la base de l'obtention d'impressions de haute densité.

Ensuite, l'optimisation des paramètres du processus, tels que la puissance du laser, la vitesse de balayage, l'espacement des lignes, l'épaisseur de la couche, qui affectent directement la densité d'énergie, doit garantir que la poudre peut être entièrement fondue et former un bassin de fusion stable. Dans le même temps, la stratégie de balayage est également cruciale pour éviter une sur-combustion ou une sous-combustion et pour optimiser la zone de refusion. Les défauts courants tels que la fusion incomplète, la porosité et les inclusions doivent être évités au maximum.

L'importance des processus de post-traitement

Les pièces fabriquées par procédé additif nécessitent souvent une série de post-traitements. Parmi ceux-ci, deux processus sont cruciaux.

Pressage isostatique à chaud (HIP)

Le pressage isostatique à chaud, appelé HIP, est le "tueur" qui élimine les pores internes. Dans un environnement à haute température et à haute pression, le matériau subit une déformation plastique et un fluage de diffusion, de sorte que les pores internes isolés sont fermés. Je compare souvent ce procédé à un "massage" en profondeur de la pièce pour la rendre plus dense à l'intérieur.

Après le traitement HIP, la densité du matériau sera considérablement améliorée, et les propriétés mécaniques feront également un bond qualitatif, notamment la limite d'élasticité, la résistance à la traction, l'allongement et la résistance à la fatigue. D'après mon expérience, les performances des pièces 18Ni300 fabriquées par fabrication additive et traitées par HIP peuvent être très proches de celles des pièces forgées traditionnelles. Les paramètres que nous utilisons couramment sont généralement une température élevée (1150-1200°C), une pression élevée (100-150 MPa) et une durée de maintien de 2 à 4 heures.

Traitement thermique

Le traitement thermique, en particulier le traitement de mise en solution et le traitement de vieillissement (mise en solution, trempe et vieillissement), est une étape clé pour induire le durcissement par précipitation du 18Ni300 et optimiser les propriétés mécaniques.

Le premier est le traitement des solutions. Son but est de permettre aux éléments de l'alliage, en particulier le titane, le molybdène, le cobalt, de se dissoudre complètement dans la matrice martensitique. Cela permet non seulement d'éliminer les contraintes internes, mais aussi de rendre l'organisation plus uniforme.

Vient ensuite le traitement du vieillissement. Il s'agit d'un moment critique pour l'explosion des performances du 18Ni300. À une température modérée (généralement 480-520°C) pendant un certain temps, nous constatons que les composés intermétalliques riches en nickel, en titane et en molybdène (tels que Ni3Ti, Ni3Mo) précipitent uniformément dans la matrice de martensite pour former une phase de renforcement en dispersion à l'échelle nanométrique. Ces petits précipités sont comme d'innombrables "clous d'acier", qui améliorent considérablement la dureté et la résistance du matériau.

Les paramètres de traitement thermique typiques suggérés sont les suivants : traitement en solution à 815-830°C pendant 1 heure, suivi d'un refroidissement à l'air ou d'une trempe à l'eau ; traitement de vieillissement à 480-520°C pendant 3-6 heures, suivi d'un refroidissement à l'air. Mais voici un petit rappel : en raison de sa microstructure unique, les paramètres optimaux de traitement thermique de la fabrication additive du 18Ni300 peuvent être différents de ceux des pièces moulées et forgées traditionnelles, de sorte que nous devons encore effectuer un travail d'optimisation.

En résumé, la poudre d'acier maraging 18Ni300 a montré de vastes perspectives d'application dans l'aérospatiale, les moules de précision et la fabrication de machines à haute performance en raison de sa résistance ultra-élevée, de son excellente ténacité et de sa bonne stabilité dimensionnelle. En particulier dans la fabrication additive (impression 3D), la poudre d'alliage 18Ni300 offre une nouvelle solution pour la conception de structures complexes et la fabrication légère grâce à ses excellentes caractéristiques de poudre et à son adaptabilité. Grâce à un contrôle raisonnable de la qualité de la poudre, à l'optimisation des paramètres du processus et à la combinaison du pressage isostatique à chaud, du traitement thermique et d'autres moyens de post-traitement, les performances globales des pièces en 18Ni300 sont comparables, voire supérieures, à celles des pièces forgées traditionnelles. Il est prévisible qu'avec la maturité continue de la métallurgie des poudres et de la technologie de fabrication additive, l'acier maraging 18Ni300 deviendra un matériau de soutien important pour la fabrication haut de gamme et une force clé pour promouvoir le développement de la technologie de fabrication avancée à l'avenir.