Polvere di lega di nichel Udimet 720: lega di nichel ad alte prestazioni

Nuove opportunità nella produzione additiva e l'ascesa della polvere di lega di nichel Udimet 720

La produzione additiva (AM), o stampa 3D come spesso la chiamiamo, sta indubbiamente creando una rivoluzione nella produzione di componenti ad alte prestazioni.

A dire il vero, quando siamo entrati nel settore, chi avrebbe mai pensato che ora avremmo potuto usare il laser per "dipingere" le pale dei motori aerei o addirittura gli impianti medici?

L'aspetto più interessante di questa tecnologia è che può rompere le catene della produzione tradizionale e realizzare quelle strutture geometriche complesse che sono problematiche. Allo stesso tempo, è in grado di ottimizzare le proprietà dei materiali, il che significa semplicemente ottenere le massime prestazioni.

In questo contesto, l'ascesa della polvere di lega di nichel Udimet 720 è a mio avviso inevitabile. Essendo una lega tipica per alte temperature, le sue prestazioni in ambienti a temperature estreme e ad alte sollecitazioni sono davvero impressionanti. Come tutti sappiamo, nell'industria aerospaziale, delle turbine a gas e di questi materiali estremamente esigenti, il processo tradizionale di lavorazione di questo tipo di lega ha rappresentato una sfida.

La tecnologia AM, in particolare la fusione a letto di polvere laser (LPBF), offre a Udimet 720 una fase completamente nuova per questi materiali. Si può dire che senza AM, il potenziale di Udimet 720 non potrà essere sfruttato appieno.

Polvere di lega di nichel Udimet 720: perché è ideale per la produzione additiva?

In qualità di primo esperto a lungo termine nel campo della produzione additiva (AM), so che la scelta dei materiali ha un impatto decisivo sulle prestazioni del prodotto finale.

Tra le numerose leghe ad alte prestazioni, la polvere di lega di nichel Udimet 720 è senza dubbio una delle opzioni che raccomando per prima quando si tratta di applicazioni impegnative. Le sue prestazioni nella produzione additiva possono essere descritte come "sorprendenti".

Analisi delle proprietà dei materiali:

Prima di tutto, parliamo della competitività di Udimet 720.

• Alta resistenza, eccellenti proprietà di creep ad alta temperatura e di fatica. Questo è il suo vantaggio più significativo. Nella mia pratica, che si tratti delle pale dei motori aeronautici o delle parti ad alta temperatura delle turbine a gas, i requisiti di resistenza e deformazione dei materiali a temperature estreme sono pressoché severi. Udim0et 720, con la sua esclusiva struttura di fase di rinforzo γ' e il suo rapporto di elementi, è in grado di mantenere un'eccellente resistenza al creep e alla fatica in condizioni di lavoro fino a 700-800°C. Ciò è essenziale per migliorare la durata e l'affidabilità dei componenti. Oserei persino dire che in certi ambienti ad alta temperatura e ad alta sollecitazione, può realizzare strutture complesse che sarebbero proibitive per i processi di produzione tradizionali.
• Resistenza alla corrosione e all'ossidazione. Non si pensi che le leghe per alte temperature si concentrino solo sulle proprietà meccaniche. Quando si lavora in ambienti ricchi di ossigeno o corrosivi ad alta temperatura, anche la stabilità superficiale del materiale è fondamentale. L'aggiunta di cromo, alluminio e altri elementi in Udimet 720 può formare una densa pellicola di ossido sulla sua superficie, che può resistere efficacemente all'erosione dell'ossidazione ad alta temperatura e a certi mezzi corrosivi. Ciò amplia indubbiamente il suo campo di applicazione in ambienti difficili.
• Confronto con altre polveri di leghe ad alta temperatura. Rispetto ad alcune comuni superleghe a base di nichel, come l'Inconel 718, l'Udimet 720 mostra di solito maggiori vantaggi nelle proprietà di resistenza alle alte temperature e di scorrimento, soprattutto quando la temperatura supera i 650°C. Naturalmente, questo significa anche che può essere leggermente più difficile da lavorare, ma se si considera il miglioramento delle prestazioni del pezzo finale, questo sforzo vale completamente la pena. L'Udimet 720 viene solitamente scelto per il limite delle prestazioni finali.

Effetto della morfologia e della qualità della polvere sul processo AM:

Ora, rivolgiamo la nostra attenzione alla polvere stessa. Nella produzione additiva, la "forma fisica" del materiale è importante quanto la "composizione chimica", e a volte la prima è addirittura più decisiva.

• Grado di sfericità, distribuzione granulometrica, fluidità, densità apparente e altri parametri importanti. Immaginate di costruire un castello con la sabbia. Se le particelle di sabbia hanno dimensioni e forme diverse, è possibile costruire una struttura piatta e densa? La fabbricazione additiva è un altro motivo. L'eccellente sfericità garantisce l'uniformità e la compattezza della polvere durante la stesura e riduce la porosità. Un'adeguata distribuzione delle dimensioni delle particelle garantisce un efficiente assorbimento dell'energia del fascio laser o elettronico ed evita l'eccessiva combustione o la mancata fusione. Una buona fluidità è alla base di una diffusione efficiente e continua della polvere, che influisce direttamente sull'efficienza di stampa. La densità apparente stabile è legata alla consistenza dello spessore di ogni strato di polvere. Eventuali deviazioni in uno di questi parametri possono portare a difetti interni nella stampa, al degrado delle prestazioni o addirittura al fallimento della stampa. Questa è la lezione che ho imparato da innumerevoli esperimenti.
• Come garantiamo la qualità della polvere per ottimizzare il tasso di successo della stampa e le prestazioni del pezzo. In tutta franchezza, il nostro controllo di qualità della polvere Udimet 720 è estremamente rigoroso. A partire dalla fonte di produzione della polvere, vaglieremo rigorosamente le materie prime e adotteremo una tecnologia di atomizzazione avanzata (come l'atomizzazione con gas di fusione a induzione sotto vuoto, VIGA) per garantire la purezza e la microstruttura della polvere. Successivamente, vengono eseguiti una serie di test rigorosi: misurazione della diffrazione laser della distribuzione delle dimensioni delle particelle, valutazione dell'analizzatore di immagini della sfericità e del rapporto sfere-satellite, flussometro di Hall e metodo dell'imbuto vibrante per testare la fluidità, nonché la densità di compattazione, la densità apparente, ecc. Gestiamo anche la tracciabilità da lotto a lotto. A mio avviso, una polvere di alta qualità non serve solo a garantire il successo della stampa, ma anche a dare "vita" al pezzo finale: le eccellenti proprietà meccaniche, la durata a fatica e l'affidabilità derivano tutte da 1 particella di polvere qualificata.

Fusione del processo di fabbricazione additiva con la polvere di lega di nichel Udimet 720

Nei miei molti anni di pratica di produzione additiva, la polvere di lega di nichel Udimet 720 è stata un materiale molto affascinante. La sua elevata resistenza, le eccellenti prestazioni a fatica e la stabilità alle alte temperature lo rendono insostituibile in settori chiave come quello aerospaziale ed energetico.

La combinazione di questa lega ad alte prestazioni con la tecnologia di produzione additiva (AM) è senza dubbio un passo avanti nel campo della scienza e dell'ingegneria dei materiali.

Considerazione della tecnologia AM tradizionale nelle applicazioni Udimet 720

Quando parliamo dell'applicazione di Udimet 720 nella produzione additiva, ci concentriamo principalmente su due tecnologie principali: la fusione a letto di polvere laser (LPBF/SLM) e la deposizione a energia diretta (DED/LMD). Questi due processi hanno la loro importanza e li valuteremo in base ai requisiti applicativi specifici e alle caratteristiche dei componenti.

Fusione laser a letto di polvere (LPBF/SLM):

LPBF/SLM è senza dubbio uno dei processi che utilizzo più spesso per Udimet 720. Eccelle nella produzione di pezzi di geometria complessa. Tuttavia, per realizzare veramente il suo potenziale, l'ottimizzazione dei parametri di processo è essenziale. Di solito inizio con quanto segue:

• Esperienza di ottimizzazione dei parametri di processo (potenza del laser, velocità di scansione, spessore dello strato, strategia di scansione): Per le superleghe a base di nichel potenziate per precipitazione, come Udimet 720, ho scoperto che la combinazione di potenza laser e velocità di scansione richiede una regolazione molto fine. Un'energia eccessiva può portare alla formazione di grani grossolani e compromettere le proprietà meccaniche, mentre un'energia insufficiente aumenta il rischio di difetti di fusione incompleta. Tendo a utilizzare uno spessore di strato leggermente inferiore per migliorare la precisione di stampa e la qualità della superficie. Per quanto riguarda la strategia di scansione, la scansione a scacchiera o sfalsata è spesso efficace per ridurre le tensioni residue, che è una considerazione fondamentale quando ho a che fare con l'Udimet 720. In tutta onestà, questa parte richiede molti esperimenti e l'accumulo di dati, e non ci sono scorciatoie.
• Sollecitazioni residue, sfide e soluzioni per il controllo delle cricche (preriscaldamento, struttura di supporto): 720 Udimet è molto incline alle tensioni residue e alle cricche termiche nel processo LPBF, il che può essere definito come un grande "temperamento". Per questo motivo, di solito utilizzo una temperatura di preriscaldamento più elevata, come 500°C o addirittura superiore, per ridurre la differenza di temperatura tra lo strato stampato e il substrato, sopprimendo così efficacemente la generazione di cricche. Allo stesso tempo, anche la progettazione di una struttura di supporto ragionevole è molto importante. Non solo può fissare i pezzi, ma funge anche da canale per la perdita di calore. Di solito progetto supporti più densi e robusti per affrontare questo tipo di sfida.
• Stampa di successo di geometrie complesse: Ho utilizzato la tecnologia LPBF per stampare con successo un prototipo di pala di turbina Udimet 720 con canali di raffreddamento interni di una complessità difficile da ottenere con i processi tradizionali. Grazie al controllo fine dei parametri e alla post-elaborazione, questi pezzi presentano una buona uniformità del tessuto e proprietà meccaniche. La soddisfazione di vedere questi progetti prendere forma passo dopo passo nella macchina è grande.

Deposizione direzionale di energia (DED/LMD):

La tecnologia DED mostra il potenziale applicativo di Udimet 720 in un'altra dimensione. Lo utilizzo più spesso per la riparazione di parti di grandi dimensioni o per la produzione di strutture con proprietà classificate in modo funzionale.

• Erogazione della polvere, controllo del bagno, gestione termica: La sfida della DED consiste nel controllare in modo stabile e preciso la velocità di erogazione della polvere e il comportamento dinamico del bagno. L'uniformità del flusso di polvere influisce direttamente sulla qualità della deposizione. Inoltre, anche la gestione termica locale è fondamentale: un raffreddamento troppo rapido può portare alla concentrazione di tensioni, mentre un raffreddamento troppo lento può compromettere l'efficienza della produzione. Di solito regolo la potenza del laser, la velocità di alimentazione della polvere e la velocità di movimento in base alla geometria e alle dimensioni del pezzo per mantenere un bagno fuso stabile e controllato.
• Per la riparazione, i vantaggi di produzione dei materiali classificati funzionalmente: Le prestazioni di DED nella riparazione dei componenti Udimet 720 sono impressionanti. Ad esempio, la riparazione di un componente danneggiato di un motore a turbina può prolungarne significativamente la vita utile. Inoltre, modificando la composizione della polvere durante il processo di deposizione, posso produrre materiali funzionalmente graduati, cosa quasi impossibile da ottenere con i processi tradizionali. Immaginate che l'interno di un pezzo sia realizzato con Udimet 720 per garantire la resistenza alle alte temperature e che la superficie sia depositata con materiali più resistenti alla corrosione. Che flessibilità e che potenza!
• Esempio di applicazione pratica: Una volta sono stato coinvolto in un progetto che utilizzava la tecnologia DED per riparare le parti rotanti chiave di un motore aeronautico. Attraverso una precisa deposizione locale, siamo riusciti a ripristinare le dimensioni e le prestazioni originali del pezzo e a fargli superare severi test di prestazione. Questo progetto ha rafforzato la mia convinzione del grande potenziale della DED nel campo della riparazione delle leghe ad alte prestazioni.

Effetto del processo di post-trattamento sulle prestazioni dei componenti AM Udimet 720

La produzione additiva è solo il primo passo dell'intera catena di produzione. Per Udimet 720, un materiale con requisiti di prestazioni estremamente elevati, è fondamentale anche il processo di post-trattamento appropriato, che determina direttamente le prestazioni di servizio del componente finale.

• Pressatura isostatica a caldo (HIP): Elimina la porosità interna, migliora la densità e le proprietà meccaniche: Raccomando l'HIP per quasi tutti i pezzi Udimet 720 prodotti in modo additivo. Il processo AM produce inevitabilmente piccoli pori o difetti non fusi, che compromettono seriamente la durata a fatica e la tenacità alla frattura del materiale. Il trattamento HIP, attraverso l'alta temperatura e l'alta pressione, può eliminare efficacemente questi difetti interni, in modo che la densità del componente raggiunga il livello della colata o della forgiatura, così da migliorare significativamente le sue proprietà meccaniche complessive. Senza HIP, in molti casi le prestazioni dei componenti AM non possono soddisfare i requisiti di progettazione.
• Trattamento termico: Ottimizza la microstruttura e migliora le prestazioni complessive: Dopo l'HIP, è necessario uno speciale processo di trattamento termico per ottimizzare la microstruttura di Udimet 720. Questo comprende tipicamente un trattamento in soluzione e un trattamento di invecchiamento. In genere, si tratta di un trattamento in soluzione e di un trattamento di invecchiamento. Il trattamento di solubilizzazione mira a dissolvere uniformemente gli elementi della fase di rinforzo e a eliminare la segregazione di solidificazione; il trattamento di invecchiamento migliora la resistenza e la durezza della lega controllando la morfologia di precipitazione e la distribuzione della fase γ'. Regolo i parametri del trattamento termico in base ai requisiti specifici di prestazione del pezzo finale, come la ricerca della resistenza ultima o di una migliore tenacità. Si tratta di un delicato processo di bilanciamento.
• Trattamenti superficiali (ad esempio, lavorazione, lucidatura): Sebbene la produzione additiva possa produrre pezzi di forma quasi netta, la successiva lavorazione e lucidatura della superficie è ancora necessaria per i pezzi con requisiti rigorosi di dimensioni e finiture superficiali critiche. La lavorazione può eliminare le asperità superficiali, migliorare le prestazioni di fatica della superficie e garantire un accoppiamento accurato con i pezzi di accoppiamento. A mio parere, la produzione additiva non è una panacea. La combinazione di produzione additiva e processi produttivi tradizionali può davvero realizzare il massimo potenziale di Udimet 720.

Il caso di applicazione della polvere di lega di nichel Udimet 720 e gli approfondimenti del settore nella produzione additiva

Udimet 720, questa superlega a base di nichel ad alte prestazioni, la sua struttura a grani unici e le sue eccellenti proprietà meccaniche, in modo che in alta temperatura, alta pressione, corrosione e altre condizioni estreme di prestazioni eccellenti.

Quando viene applicato in forma di polvere alla produzione additiva, in particolare alla tecnologia di fusione a letto di polvere laser (LPBF), è semplicemente una tigre dal potenziale illimitato.

Aerospaziale:

Nel settore aerospaziale, l'applicazione della polvere Udimet 720 può essere considerata una pietra miliare. Sappiamo che i componenti dei motori aeronautici, in particolare le pale delle turbine, i componenti della camera di combustione e l'involucro dei motori a turbina, lavorano per lungo tempo in ambienti con temperature e sollecitazioni estremamente elevate.

I processi tradizionali di fusione e forgiatura spesso limitano la libertà di progettazione nella produzione di queste strutture complesse, rendendo difficile ottenere un'estrema leggerezza e ottimizzazione delle prestazioni.

Tuttavia, la produzione additiva, combinata con la polvere Udimet 720, ha rivoluzionato tutto questo. Ricordo che il nostro team ha cercato di costruire una pala di turbina complessa utilizzando la tecnologia LPBF in un primo progetto.

Il metodo tradizionale richiedeva la saldatura di più parti, ma ora possiamo formarle in un unico pezzo, riducendo il numero di giunzioni e migliorando notevolmente l'affidabilità. Inoltre, grazie alla produzione additiva, siamo stati in grado di ottimizzare il design dei canali di raffreddamento interni, un compito che sarebbe stato quasi impossibile con il processo tradizionale. Questa flessibilità progettuale porta direttamente a una maggiore efficienza termica e a una maggiore durata del componente.

In un progetto di produzione di componenti aerospaziali di successo, ad esempio, abbiamo stampato un componente chiave della camera di combustione per un nuovo motore. Grazie all'applicazione dell'ottimizzazione topologica e della struttura reticolare, il peso del componente finale è stato ridotto di quasi 20% e la sua durata a fatica e le prestazioni di scorrimento ad alta temperatura sono state notevolmente migliorate.

A mio parere, non si tratta solo di una svolta tecnologica, ma anche di una ridefinizione dell'intero concetto di design dell'aviazione. La realizzazione di un prodotto leggero e ad alte prestazioni non è più un sogno lontano.

Energia (turbina a gas):

Oltre al settore aerospaziale, anche quello dell'energia, in particolare delle turbine a gas, è un altro grande "campo di battaglia" per la polvere di lega Udimet 720".

Anche le grandi turbine a gas hanno requisiti estremamente elevati per i componenti ad alta temperatura. Che si tratti di una grande turbina a gas per la produzione di energia o di una turbina a gas industriale, i suoi componenti caldi, come le palette di guida, le pale del rotore e i rivestimenti del combustore, sono sottoposti a temperature elevate di migliaia di gradi e a enormi forze centrifughe.

Utilizzando la polvere Udimet 720 per la produzione additiva, siamo in grado non solo di produrre nuovi pezzi ad alte prestazioni, ma anche di fare un'enorme differenza nella riparazione dei pezzi.

Immaginate una costosa pala di turbina a gas, se solo l'usura locale o le crepe, il metodo tradizionale può richiedere la sostituzione dell'intero impianto, il costo è enorme.

Ma ora possiamo utilizzare la polvere Udimet 720 per la riparazione locale attraverso tecnologie additive come la deposizione a energia diretta (DED) per depositare con precisione i materiali e ripristinare le loro proprietà originali. Questo non solo prolunga notevolmente la vita utile dei componenti, ma riduce anche in modo significativo i costi operativi e di manutenzione, migliorando l'efficienza economica complessiva. Questa capacità di riparazione è rivoluzionaria per la gestione degli asset nel settore energetico.