18ni300 Polvere di lega in acciaio inox nichel

Autore: Enrique J. Lavernia

Enrique J. Lavernia è un rinomato scienziato dei materiali e professore alla Texas A&M University, riconosciuto per i suoi contributi pionieristici alla produzione additiva. La sua ricerca si concentra sulle polveri metalliche, compresa la loro atomizzazione, le caratteristiche e l'impatto sulla qualità dei pezzi, nonché sull'evoluzione microstrutturale e sulle prestazioni meccaniche delle leghe avanzate durante i processi additivi.

Ha fatto progredire la comprensione e l'applicazione di materiali complessi come le leghe di alluminio e le leghe ad alta entropia nell'AM e ha collaborato alla stesura di opere autorevoli sulle polveri metalliche per la produzione additiva, influenzando in modo significativo sia la ricerca scientifica che la pratica industriale.

Analisi di profondità della polvere di lega 18ni300

Composizione di base e classificazione dei materiali:

Il nome "18Ni300" è in realtà molto intuitivo. Ci trasmette due messaggi chiave: 18% contenuto di nichel e il 300 ksi (circa 2070 MPa) di resistenza alla trazione può finalmente raggiungere.

A questo punto è necessario sottolineare un punto importante: la 18Ni300 non è acciaio inossidabile, è l'acciaio maraging 1 (Maraging Steel). In termini di classificazione rigorosa dei materiali, appartiene alla categoria delle leghe ad alta resistenza a base di nichel. L'acciaio inossidabile dipende principalmente dal cromo che forma una pellicola passiva per resistere alla corrosione, mentre l'acciaio maraging è completamente diverso.

Cosa la rende così performante? Principalmente questi elementi di lega:

• Nichel (Ni), circa 18%, è un elemento centrale che forma una matrice martensitica e fornisce un'eccellente tenacità.
• Cobalto (Co) è solitamente compresa tra 8-12%. La sua funzione principale è quella di aumentare la temperatura di trasformazione della martensite e promuovere la precipitazione di composti intermetallici durante il processo di invecchiamento.
• Molibdeno (Mo), solitamente compreso tra 3-5%, contribuisce al rafforzamento in soluzione solida e favorisce l'indurimento per invecchiamento insieme a nichel e cobalto.
• Titanio (Ti) e alluminio (Al) sono solitamente presenti in quantità inferiori, ma sono essenziali. Durante il trattamento di invecchiamento, formano fini composti intermetallici (come Ni3Ti, Ni3Al) e sono proprio questi precipitati su scala nanometrica a conferire al 18Ni300 una resistenza elevatissima.

Vantaggi unici in termini di prestazioni: Perché è così importante?

A mio parere, il motivo per cui il 18Ni300 può essere favorito nel campo della produzione additiva è dovuto principalmente alla sua combinazione di proprietà.

• Resistenza elevatissima combinata con tenacità: questa è la sua etichetta più sorprendente. Si consideri che, una volta completata la produzione additiva (come SLM o EBM), la resistenza alla trazione del materiale può salire a quasi 2000 MPa grazie a un semplice trattamento termico. trattamento dell'invecchiamento -di solito tenuti a 480-500°C per diverse ore- pur mantenendo un'eccellente tenacità alla frattura. Questa perfetta combinazione di resistenza e tenacità è estremamente rara nei materiali tradizionali. Per noi che ci occupiamo di stampa 3D, questo significa poter progettare pezzi leggeri ed estremamente resistenti.
• Eccellente stabilità dimensionale: La deformazione del 18Ni300 è molto ridotta durante il trattamento termico, soprattutto quello di invecchiamento. Questo è semplicemente un vantaggio per la produzione di pezzi di precisione. Sappiamo tutti che molti materiali subiscono una notevole contrazione o espansione dopo il trattamento termico, con conseguente difficoltà di controllo della precisione dimensionale, ma il 18Ni300 è molto stabile in questo senso.
• Buona lavorabilità: Anche se ci concentriamo principalmente sulle prestazioni dopo la stampa 3D, è necessario menzionare anche la frase 1. Allo stato ricotto (cioè non invecchiato), la sua durezza è relativamente bassa, molto facile da lavorare meccanicamente, come la tornitura e la fresatura. Questo è senza dubbio un vantaggio per alcune parti complesse che richiedono una post-elaborazione.
• Resistenza alla corrosione: Devo dire realisticamente che la resistenza alla corrosione del 18Ni300 non è il suo vantaggio principale, dopo tutto non è acciaio inossidabile. In alcuni ambienti specifici, si comporta bene, ma se la vostra applicazione ha requisiti elevati di resistenza alla corrosione, potrebbe essere necessario combinare un trattamento superficiale o considerare altre leghe più professionali resistenti alla corrosione. Non aspettatevi che sia "pelle" come l'acciaio inossidabile 316L".

Problemi e opportunità delle proprietà dei materiali:

• Domanda:
  • Sensibilità alle crepe: Questo è il primo grande problema che incontriamo nella stampa 3D. Il 18Ni300 è sensibile alle sollecitazioni termiche nel processo di stampa, soprattutto nel caso di sezioni trasversali spesse o di strutture geometriche complesse, dove l'accumulo di sollecitazioni interne può facilmente portare a crepe. Ciò richiede ai nostri ingegneri di effettuare molte esplorazioni e regolazioni nell'ottimizzazione dei parametri di stampa e nella strategia di preriscaldamento.
  • Controllo interno dello stress: A causa della rapida fusione e solidificazione, all'interno della parte stampata si generano tensioni residue che non solo influiscono sulle proprietà meccaniche della parte, ma possono anche causare deformazioni o addirittura crepe. Pertanto, il trattamento termico dopo la stampa è molto importante.
  • Ottimizzazione dei parametri di stampa: Trovare la migliore combinazione di parametri di stampa è un processo lungo e costoso. Ogni dispositivo, ogni lotto di polvere e persino la temperatura ambiente possono influire sul risultato finale, il che ci obbliga a investire molte energie per effettuare verifiche sperimentali.
• Opportunità:
  • Geometria complessa e design leggeroQuesto è il più grande vantaggio della produzione additiva. L'altissima resistenza del 18Ni300 ci permette di progettare strutture più sottili e leggere ma sufficientemente resistenti, come le strutture a griglia e le strutture bioniche nel settore aerospaziale. Questo è al di là della portata dei processi di produzione tradizionali.
  • Componenti personalizzati ad alte prestazioni: Per alcune parti speciali che richiedono prestazioni estremamente elevate e non richiedono una produzione eccessiva, come inserti di stampi, parti meccaniche ad alte prestazioni e persino alcuni componenti chiave dei motori a razzo, il 18Ni300 può essere prodotto in modo rapido ed efficiente attraverso la stampa 3D e le sue prestazioni superano di gran lunga quelle dei processi tradizionali.

Scenari e casi di applicazione di 18ni300 nella produzione additiva

Settore aerospaziale:

Questa è sicuramente la patria del 18Ni300. Componenti satellitari, pale di turbine di motori a reazione, varie staffe complesse e parti strutturali, tutti elementi che richiedono requisiti rigorosi in termini di resistenza, tenacità e leggerezza dei materiali. La produzione additiva, combinata con il 18Ni300, consente di realizzare progetti leggeri e di ottenere rapporti di resistenza/peso elevati, inimmaginabili con i processi convenzionali.

Inoltre, è in grado di stampare anche parti con complessi canali di raffreddamento interni, il che è semplicemente rivoluzionario per le parti dei motori. Anche il ciclo di produzione può essere notevolmente ridotto, il che è indubbiamente un grande vantaggio per l'industria aerospaziale con una velocità di iterazione elevata.

Ad esempio, una volta sono entrato in contatto con un progetto che prevedeva la produzione di un certo tipo di staffa per veicoli spaziali attraverso la stampa 3D 18Ni300. Il risultato finale è incoraggiante, non solo circa 30% di peso in meno rispetto allo stent di produzione tradizionale, ma anche migliori prestazioni nei principali indicatori di performance. In quel momento ho percepito l'enorme valore di questa tecnologia.

Produzione di stampi e strumenti sul campo:

La richiesta di elevata durezza, resistenza all'usura ed efficienza di raffreddamento da parte dell'industria degli stampi rende il 18Ni300 utile nella produzione additiva. Gli inserti per stampi a iniezione, gli stampi per pressofusione e persino alcune attrezzature possono trarre vantaggio da questo materiale e processo. Il vantaggio più evidente è la possibilità di progettare e stampare canali di raffreddamento conformi. Questo non è uno scherzo, significa che è possibile realizzare il refrigerante il più vicino possibile alla cavità dello stampo, migliorando così notevolmente l'efficienza di raffreddamento e accorciando il ciclo di stampaggio a iniezione. Allo stesso tempo, l'elevata durezza e la resistenza all'usura garantiscono la durata dello stampo.

Ricordo che un produttore di stampi a iniezione ha provato a utilizzare inserti per stampi 18Ni300 stampati in 3D e il tempo di raffreddamento è stato ridotto di 15%. Questo 15% rappresenta un reale miglioramento dell'efficienza e un risparmio sui costi per la produzione di massa. Questo miglioramento intuitivo mi dà fiducia nel futuro della produzione additiva.

Settore dei dispositivi medici:

Sebbene le leghe di titanio siano più comuni negli impianti ortopedici, le caratteristiche di elevata resistenza del 18Ni300 gli conferiscono un grande potenziale in alcuni settori specifici dei dispositivi medici, in particolare nelle parti con requisiti di elevata resistenza al carico.

La personalizzazione è il punto di forza della stampa 3 D, particolarmente importante in campo medico, che può essere stampata con precisione in base all'anatomia del paziente. Naturalmente la biocompatibilità richiede un ulteriore trattamento superficiale per essere ottimizzata, ma il suo potenziale come substrato ad alta resistenza è indubbio.

Altre applicazioni ad alte prestazioni:

Oltre ai campi sopra citati, il 18Ni300 ha anche ampie prospettive di applicazione nell'industria automobilistica, nel settore militare, nelle attrezzature sportive di alto livello, ecc. Tutti questi settori perseguono prestazioni estreme e leggerezza, e la combinazione di 18Ni300 e produzione additiva risponde proprio a queste esigenze.

Flusso di processo e considerazioni chiave per la produzione additiva 18ni300

Selezione del processo di stampa 3D:

Quando si parla di stampa 3 D per 18Ni300, la prima cosa da fare è scegliere il giusto processo di stampa. Al momento, la fusione laser a letto di polvere (L-PBF/SLM) e la fusione a fascio elettronico (EBM) sono i due processi più utilizzati.

L-PBF (SLM): Attualmente è la tecnologia più utilizzata. Fonde la polvere metallica strato per strato attraverso un raggio laser ad alta densità energetica. La L-PBF offre ottime prestazioni in termini di densità.

I pezzi stampati hanno un'elevata precisione e una qualità superficiale relativamente buona. Ma il problema è che quando L-PBF stampa un 18Ni300, le tensioni residue sono una grande seccatura perché si raffreddano rapidamente e possono facilmente causare la deformazione o addirittura la rottura dei pezzi. Di solito adottiamo alcune misure di riscaldamento o regoliamo la strategia di scansione per attenuarle, ma la loro completa eliminazione è quasi impossibile.

EBM: L'EBM, invece, utilizza un fascio di elettroni come fonte di calore, opera in un ambiente sotto vuoto e ha una temperatura di preriscaldamento più elevata. Questo fa sì che il problema delle tensioni residue sia molto migliore quando l'EBM tratta il 18Ni300 e che il rischio di deformazione sia notevolmente ridotto. Inoltre, l'efficienza di formatura dell'EBM è solitamente un po' più elevata. Tuttavia, le EBM tendono ad avere una rugosità superficiale peggiore rispetto alle L-PBF e i costi delle attrezzature e la complessità operativa sono relativamente elevati.

Caratteristiche della polvere e gestione:

Per la 18Ni300, una lega ad alte prestazioni, la qualità della polvere è fondamentale per ottenere o meno una stampa.

L'importanza della qualità della polvere: La nostra attenzione si concentra sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle: troppo grossolane e troppo fini non funzionano, le dimensioni uniformi delle particelle possono garantire la planarità della polvere; la sfericità, che influisce direttamente sulla fluidità della polvere: migliore è la sfericità, migliore è la fluidità della polvere, più uniforme è lo strato di polvere e la densità è più facile da garantire; il contenuto di ossigeno, che è un indicatore molto critico, e un contenuto di ossigeno troppo elevato può portare a inclusioni di ossido all'interno della stampa, compromettendo seriamente le proprietà meccaniche del materiale, in particolare le proprietà di fatica.

Manipolazione e stoccaggio delle polveri: La polvere deve essere gestita con molta attenzione. 18Ni300 Questa lega è sensibile all'ossidazione, quindi la prevenzione dell'ossidazione e della contaminazione è una priorità assoluta. Di solito, la setacciatura e il recupero della polvere avvengono sotto la protezione di gas inerti, mentre lo stoccaggio deve avvenire in un contenitore sigillato e asciutto. Una volta che la polvere si inumidisce o si contamina, può compromettere almeno la qualità della stampa e, nel peggiore dei casi, causare lo scarto del lotto, il che non vale la pena.

Ottimizzazione dei parametri di stampa:

 Parametri chiave:

• Potenza laser: troppo piccolo per una fusione insufficiente, troppo grande per una sovracombustione.
• Velocità di scansione: influisce sulla densità di energia e sul comportamento della piscina fusa.
• Spessore dello strato: influisce direttamente sull'efficienza di stampa e sulla rugosità della superficie.
• Strategie di scansione: come la scansione "a scacchiera", che aiuta a disperdere le tensioni residue.
• Temperatura di preriscaldamento: Nella L-PBF, l'innalzamento della temperatura di preriscaldamento della piattaforma può essere molto utile per ridurre le tensioni residue.

Ho scoperto che nessuno di questi parametri esiste da solo e che si influenzano a vicenda formando una rete complessa. Dobbiamo fare molti esperimenti per trovare il punto di equilibrio ottimale per ottenere la massima densità, le migliori proprietà meccaniche e la minore tensione residua.

Post-elaborazione:

• Trattamento termico: Il trattamento termico di invecchiamento è fondamentale per ottenere la sua altissima intensità. Il 18Ni300 stampato è solitamente in soluzione solida e poco resistente. Dobbiamo indurre la precipitazione di composti intermetallici su scala nanometrica all'interno del materiale attraverso un controllo preciso della temperatura e del tempo di invecchiamento, aumentandone così in modo significativo la durezza e la resistenza. Di solito eseguo un trattamento in soluzione per eliminare le disomogeneità del tessuto durante la stampa, seguito da un invecchiamento in più fasi. Il principio è quello di consentire alla microstruttura del materiale di subire un cambiamento di fase attraverso il trattamento termico, in modo da migliorarne notevolmente la durezza e la resistenza.
• Finitura: La superficie della stampa tende a essere ruvida e all'interno possono essere presenti alcuni difetti minori.
• Lucidatura e sabbiatura: può migliorare efficacemente la rugosità della superficie ed è molto importante per i pezzi che richiedono un adattamento preciso.
• Pressione isostatica termica (HIP): Si tratta di uno strumento molto potente, soprattutto per i pezzi prodotti in modo additivo. Può eliminare efficacemente i pori interni e le microfessure ad alta temperatura e pressione, migliorando notevolmente la densità e le prestazioni a fatica dei pezzi.