چاپ سه بعدی نیکل In625 پودر فلزی برای قطعات توربین های هوافضا

1مقدمه

ابرلیوای های مبتنی بر نیکل، به ویژه Inconel 625 (In625) ، به دلیل مقاومت فوق العاده در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر خستگی، به طور گسترده ای در کاربردهای هوافضا استفاده می شوند.تولید افزودنی (AM)، یا چاپ سه بعدی، تولید قطعات پیچیده توربین های هوافضا را با کاهش ضایعات مواد و انعطاف پذیری طراحی بهبود می بخشد.

این توضیحات دقیق شامل خواص پودر فلزی In625، فرایندهای چاپ سه بعدی، پس از پردازش و کاربردهای توربین های هوافضا است.

2. اینکونل 625 (In625) خواص پودر فلزی

In625 یک داروی فوق لیوان نیکل کرومیوم مولیبدن است که دارای ویژگی های کلیدی زیر است:

ترکیب شیمیایی (ASTM B443)

خواص مکانیکی و حرارتی

• مقاومت کششی: 930 MPa (در دمای اتاق)

• قدرت کششی: 517 MPa

• طول کششی: 42.5%

• تراکم: 8.44 g/cm3

• نقطه ذوب: 1290 - 1350°C

• مقاومت در برابر اکسیداسیون: عالی تا ۹۸۰ درجه سانتیگراد

• مقاومت در برابر خوردگی: مقاومت در برابر حفره، خوردگی شکاف و محیط آب شور

ویژگی های پودر برای چاپ سه بعدی

• توزیع اندازه ذرات: 15 - 45 μm (برای LPBF) یا 45 - 106 μm (برای DED)

• مورفولوژی: کروی (برای جریان مطلوب)

• روش تولید پودر: اتم سازی گاز (آرگون یا نیتروژن)

• جریان پذیری: ≤ 25 s/50g (بررسی Flowmeter Hall)

• تراکم ظاهری: ≥ 4.5 g/cm3

3فرآیند های چاپ سه بعدی برای صنعت توربین های هوافضا

رایج ترین روش های چاپ سه بعدی فلزی برای In625 عبارتند از:

A. فیوژن بستر پودر لیزر (LPBF / SLM)

• فرآیند: لیزر قدرتمند به صورت انتخابی پودر In625 را لایه به لایه ذوب می کند.

• مزایا:

  • دقت بالا (± 0.05 mm)

  • سطح ظریف (Ra 5 - 15 μm)

  • مناسب برای کانال های خنک کننده داخلی پیچیده در تیغه های توربین

• پارامترهای معمولی:

  • قدرت لیزر: 200 تا 400 وات

  • ضخامت لایه: 20 - 50 μm

  • سرعت اسکن: 800 تا 1200 میلی متر در ثانیه

  • نرخ ساخت: 5 تا 20 سانتی متر در ساعت

B. جمع آوری انرژی هدایت شده (DED / LENS)

• فرآیند: یک لیزر یا پرتو الکترون پودر In625 را در حالی که قرار داده می شود ذوب می کند.

• مزایا:

  • میزان رسوب بالاتر (50 - 200 سم3/ساعت)

  • مناسب برای قطعات بزرگ توربین و تعمیرات

• پارامترهای معمولی:

  • قدرت لیزر: 500 تا 2000 وات

  • میزان خوراک پودر: 5 تا 20 گرم در دقیقه

ج. ذوب شدن پرتو الکترون (EBM)

• فرآیند: از یک پرتو الکترون در خلاء برای ذوب کردن پودر In625 استفاده می کند.

• مزایا:

  • کاهش فشار باقیمانده (به دلیل دمای بالا از قبل گرم کردن)

  • سرعت ساخت سریعتر از LPBF

• پارامترهای معمولی:

  • جریان پرتو: 5 - 50 mA

  • ولتاژ شتاب دهنده: 60 کیلو ولت

  • ضخامت لایه: 50-100 μm

4. پس از پردازش برای قطعات توربین های هوافضا

برای پاسخگویی به الزامات سختگیرانه هوافضا، پس از پردازش ضروری است:

A. درمان گرمایی

• کاهش استرس: 870°C برای 1 ساعت (برد هوا)

• محلول گرم کردن: 1150°C برای 1 ساعت (خاموش کردن آب)

• پیری (در صورت لزوم): 700 تا 800 درجه سانتیگراد برای 8 تا 24 ساعت

B. فشار گرم ایزواستاتیک (HIP)

• هدف: از بین بردن حفره های داخلی (بهبودی از خستگی)

• پارامترها: 1200°C در 100-150 MPa برای 4 ساعت

ج. ماشینکاری و تکمیل

• ماشینکاری CNC: برای ویژگی های تحمل تنگ

• فرآوری سطحی: پولیش الکتروشیمی یا ماشینکاری جریان سفت برای سطوح صاف تر

• آزمایش غیر مخرب (NDT): سی تی اشعه ایکس، آزمایش فوق صوتی یا بررسی نفوذ رنگ

5کاربرد توربین های هوافضا

In625 چاپ سه بعدی در قطعات مهم توربین استفاده می شود، از جمله:

• تیغه های توربین و فان ها (با کانال های خنک کننده داخلی)

• پوشش سوخت (مقاومت گرما و خوردگی)

• نوزل های خروجی (استقرار در دمای بالا)

• نوزل های سوخت (انجن LEAP GE Aviation از In625 چاپ شده 3D استفاده می کند)

• تعمیر قطعات فرسوده توربین (از طریق DED)

مزایایی نسبت به تولید سنتی

✔ کاهش وزن (ساختارهای شبکه و بهینه سازی توپولوژی)
✔ تولید سریعتر (بدون نیاز به ابزار پیچیده)
✔ عملکرد بهبود یافته (کانال های خنک کننده بهینه شده)
✔ صرفه جویی در مواد (تولید نزدیک به شکل شبکه)

6چالش ها و روند آینده

چالش ها:

• قیمت بالای پودر In625

• فشار و تحریف باقی مانده (به درمان مناسب گرما نیاز دارد)

• محدودیت های قابل استفاده مجدد پودر (معمولا 5 تا 10 چرخه قبل از تجزیه)

روند آینده:

• بهینه سازی فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی (برای چاپ بدون نقص)

• تولید هیبریدی (یکپارچه سازی AM با ماشینکاری CNC)

• توسعه آلیاژ جدید (مجموعه های دمای بالاتر)