18ni300 合金粉末ステンレス鋼ニッケル

執筆者：エンリケ・J・ラヴェルニア

エンリケ・J・ラヴェルニアは著名な材料科学者であり、積層造形への先駆的貢献で知られるテキサスA&M大学教授。主な研究テーマは、金属粉末の微粒化、特性、部品品質への影響、積層造形プロセスにおける先端合金の微細構造の進化と機械的性能など。

アルミニウム合金や高エントロピー合金などの複雑な材料のAMにおける理解と応用を進め、積層造形用金属粉末に関する権威ある著作を共著し、科学研究と産業界の実践の両方に大きな影響を与えた。

18ni300合金粉末の深さ分析

材料の基本的な組成と分類：

18Ni300」という名前は、実はとても直感的だ。それは2つの重要なメッセージを伝えている： 18% ニッケル含有量 そして 300ksi（約2070MPa）の引張強さ 最終的に達成できる。

ここで重要な点を強調しておかなければならない。 18Ni300はステンレス鋼ではなく、1マルエージング鋼（マルエージング鋼）です。.厳密な材料分類では、高強度ニッケル基合金のカテゴリーに属する。ステンレス鋼は主にクロムに依存して腐食に抵抗する不動態皮膜を形成するが、マルエージング鋼は完全に別の1.

何がこのような優れた性能を生み出しているのだろうか？主にこれらの合金元素だ：

• ニッケル（Ni）約18%）は、マルテンサイト・マトリクスを形成し、優れた靭性をもたらす中心元素である。
• コバルト は通常8-12%の間である。主な機能は、時効処理中にマルテンサイト変態温度を上昇させ、金属間化合物の析出を促進することである。
• モリブデン (Mo)通常3-5%の間で、固溶体強化に寄与し、ニッケルやコバルトとともに時効硬化を促進する。
• チタン（Ti） そして アルミニウム は、通常、存在量は少ないが不可欠である。これらは時効処理中に微細な金属間化合物（Ni3Ti、Ni3Alなど）を形成し、18Ni300に超高強度を与えるのはこれらのナノスケールの析出物である。

独自のパフォーマンス効果：なぜそれが重要なのか？

私の考えでは、18Ni300が積層造形の分野で支持される理由は、主にその特性の組み合わせにある。

• 超高強度と 靭性：これは最も魅力的なラベルである。アディティブ・マニュファクチャリング（SLMやEBMなど）が完了した後、単純な熱処理によって材料の引張強度が2000MPa近くまで上昇することを考えてみよう。 老化治療 -通常480～500℃で数時間保持され、優れた破壊靭性を維持する。このような強度と靭性の完璧な組み合わせは、従来の材料では極めて稀です。3Dプリンティングを行う私たちにとって、これは軽量かつ非常に強い部品を設計できることを意味します。
• 優れた寸法安定性:18Ni300は熱処理、特に時効処理時の変形が非常に小さい。これは、精密部品の製造にとって大きな利点です。多くの材料が熱処理後に収縮や膨張を起こし、寸法精度の管理が難しくなることは周知の通りであるが、18Ni300はこの点で非常に安定している。
• 良好な作業性:主に3Dプリント後の性能に焦点を当てるが、1文にも言及する必要がある。アニールされた状態（つまりエージングされていない状態）では、その硬度は比較的低く、旋盤加工やフライス加工などの機械的加工が非常に容易です。これは、後加工が必要な複雑な部品にとっては間違いなくプラスである。
• 耐食性:現実的な話として、18Ni300の耐食性はその主な利点ではないと言わざるを得ない。特殊な環境では十分な性能を発揮しますが、耐食性に高い要求がある用途では、表面処理を組み合わせたり、より専門的な耐食合金を検討する必要があるかもしれません。316Lステンレスのような "レザー "を期待しないでください。

材料特性の問題と機会：

• 質問:
  • クラック感受性:これは、3Dプリントを行う際に遭遇する1つの大きな問題です。18Ni300は、特に厚い断面や複雑な幾何学的構造の場合、内部応力の蓄積によってクラックが発生しやすくなります。このため、当社のエンジニアは、印刷パラメータの最適化と予熱戦略において、多くの調査と調整を行う必要があります。
  • 内部ストレスのコントロール:急速な溶融と凝固により、印刷部品内部に残留応力が発生し、部品の機械的特性に影響を与えるだけでなく、変形やひび割れの原因になることもあります。そのため、印刷後の熱処理は非常に重要です。
  • 印刷パラメータの最適化:印刷パラメーターの最適な組み合わせを見つけるには、長い時間とコストがかかります。各装置、各パウダーのバッチ、さらには周囲温度でさえも最終的な結果に影響を与える可能性があり、実験的検証を実施するために多くのエネルギーを投資する必要があります。
• チャンス:
  • 複雑な形状と軽量設計これが積層造形の最大の利点です。18Ni300の超高強度は、航空宇宙分野におけるグリッド構造やバイオニック構造など、十分な強度を保ちながら、より薄くて軽い構造を設計できることを意味します。これは、従来の製造プロセスでは到達できないことです。
  • 高性能カスタマイズ部品:18Ni300は、金型インサート、高性能機械部品、さらにはロケットエンジンの主要部品など、極めて高い性能が要求され、あまり大きな出力を必要としない一部の特殊部品については、3Dプリンティングによって迅速かつ効率的に製造することができ、その性能は従来のプロセスをはるかに上回る。

アディティブ・マニュファクチャリングにおける18ni300の応用シナリオと事例

航空宇宙分野：

これは間違いなく18Ni300の本場である。人工衛星の部品、ジェットエンジンのタービンブレード、さまざまな複雑なブラケット、構造部品など、いずれも材料の強度、靭性、軽量性に厳しい要求があります。アディティブ・マニュファクチャリングと18Ni300を組み合わせることで、従来のプロセスでは考えられなかった軽量設計と高い強度/重量比が可能になる。

さらに重要なのは、複雑な内部冷却流路を持つ部品の印刷も可能なことで、エンジン部品ではまさに革命的だ。また、製造サイクルも大幅に短縮できるため、反復スピードの速い航空宇宙産業にとって大きな恩恵であることは間違いない。

例えば、18Ni300を3Dプリントして、ある種の宇宙船用ブラケットを製造するというプロジェクトに接したことがある。最終的な結果は、従来の製造ステントよりも30%ほど軽量化されただけでなく、重要な性能指標においても性能が向上しており、勇気づけられるものでした。その瞬間、私はこの技術の大きな価値を実感した。

現場での金型製造と工具：

高硬度、耐摩耗性、冷却効率に対する金型業界の要求から、18Ni300は積層造形に有用である。射出成形金型インサート、ダイカスト金型、さらには一部の金型治具でさえ、この材料とプロセスから恩恵を受けることができる。最も顕著な利点は、コンフォーマル冷却チャンネルを設計してプリントアウトできることである。これは冗談ではなく、冷却材を金型キャビティに可能な限り近づけることができるため、冷却効率が大幅に向上し、射出成形サイクルを短縮できることを意味する。同時に、高い硬度と耐摩耗性も金型の耐用年数を保証します。

そういえば、ある射出成形金型メーカーが18Ni300の金型インサートを3Dプリンターで作ろうとしたところ、冷却時間が15%短縮されたそうだ。この15%は、彼らの大量生産における実質的な効率改善であり、コスト削減である。この直感的な改善は、アディティブ・マニュファクチャリングの未来に自信を与えてくれる。

医療機器分野：

チタン合金は整形外科用インプラントではより一般的ですが、18Ni300の高強度特性は、特定の医療機器分野、特に高荷重を必要とする部品において大きな可能性を持っています。

パーソナライズされたカスタマイズは3Dプリンティングの強みであり、医療分野では特に重要で、患者の解剖学的構造に合わせて正確にプリントすることができる。もちろん、生体適合性を最適化するにはさらなる表面処理が必要だが、高強度基板としての可能性は疑う余地がない。

その他の高性能アプリケーション

上記の分野だけでなく、18Ni300は自動車産業、軍事分野、ハイエンドスポーツ機器などにも幅広く応用される見込みがある。これらの分野はいずれも極限の性能と軽量化を追求しており、18Ni300と積層造形の組み合わせは、偶然にもこれらのニーズを満たすものである。

アディティブ・マニュファクチャリングのプロセスフローと主な検討事項 18ni300

3Dプリントプロセスの選択：

18Ni300の3Dプリンティングについて話すとき、最初にすべきことは適切なプリンティングプロセスを選ぶことです。現時点では、レーザー粉末溶融（L-PBF/SLM）と電子ビーム溶融（EBM）の2つのプロセスが、私たちが最も使用しているプロセスです。

L-PBF（SLM）： 現在最も広く使われている技術である。高エネルギー密度のレーザービームを通して金属粉末を層ごとに溶融する。L-PBFは密度の点で非常に優れた性能を発揮する。

印刷された部品は精度が高く、表面品質も比較的良い。しかし問題は、L-PBFで18Ni300を印刷する場合、残留応力がすぐに冷えてしまい、パーツの変形やクラックの原因になりやすいという大きな厄介があることだ。私たちは通常、ウォームアップ対策を講じたり、スキャン戦略を調整したりして残留応力を軽減しますが、完全に除去することはほとんど不可能です。

EBMである： これに対してEBMは、熱源として電子ビームを使用し、真空環境で動作し、予熱温度が高い。このため、EBMで18Ni300を扱う場合、残留応力の問題ははるかに改善され、変形のリスクは大幅に低減される。加えて、EBMの成形効率は通常もう少し高い。しかし、EBMはL-PBFよりも表面粗さが悪化する傾向があり、設備コストと操作の複雑さが比較的高い。

パウダーの特徴と管理：

高性能合金である18Ni300では、粉末の品質が印刷の成否を分ける鍵となる。

粉の品質の重要性： 真球度、これは粉末の流動性に直接影響し、真球度が高いほど粉末の流動性が良くなり、粉末層が均一になり、密度を確保しやすくなります。酸素含有量、これは非常に重要な指標で、酸素含有量が高すぎると、印刷物内部に酸化物の介在物が生じ、材料の機械的特性、特に疲労特性に深刻な影響を与えます。

粉体の取り扱いと保管： 粉末の管理には細心の注意が必要である。18Ni300 この合金は酸化に弱いので、酸化や汚染を防ぐことが最優先です。通常、パウダーのふるい分けと回収は不活性ガス保護下で行い、保管の際も密閉された乾燥した容器でなければなりません。パウダーが湿ったり汚染されたりすると、少なくとも印刷の品質に影響を及ぼし、最悪の場合、そのバッチを廃棄することになり、得るものがありません。

印刷パラメータの最適化：

 主なパラメーター

• レーザー出力： 小さすぎると融解が不十分で、大きすぎるとオーバーバーンになる。
• スキャン速度： は、エネルギー密度と溶融池の挙動に影響する。
• 層の厚さ： 印刷効率と表面粗さに直接影響する。
• スキャン戦略： チェッカーボード」スキャニングのように、残留応力を分散させることができる。
• 予熱温度： L-PBFでは、プラットフォームの予熱温度を適切に上げることが残留応力の低減に非常に役立つ。

私が発見したのは、これらのパラメーターはどれも単独では存在せず、互いに影響し合って複雑なネットワークを形成しているということだ。最高の密度、最高の機械的特性、最低の残留応力を達成するための最適な均衡点を見つけるためには、多くの実験を手探りで行う必要がある。

後処理：

• 熱処理： エージング熱処理は、その超高強度を達成するための中心的なものである。印刷された18Ni300は通常固溶体であり、強度はあまり高くない。正確なエージング温度と時間のコントロールによって、材料内部にナノスケールの金属間化合物を析出させ、硬度と強度を大幅に向上させる必要があります。私は通常、印刷時に組織の不均一性をなくすために溶液処理を行い、その後、多段階のエージングを行います。その原理は、熱処理によって材料内部の微細構造に相変化を起こさせ、硬度と強度を大幅に向上させることにある。
• フィニッシュ： プリントの表面はざらざらしている傾向があり、内部に小さな欠陥がある場合があります。
• 研磨とサンドブラスト： は、表面粗さを効果的に改善することができ、微細なフィットが必要な部品にとって非常に重要である。
• 熱等方圧（HIP）： これは、特に積層造形部品にとって非常に強力なツールである。高温高圧下で内部の気孔やマイクロクラックを効果的に除去し、部品の密度と疲労性能を大幅に向上させることができる。