پودر سوپرآلیاژ پایه نیکل برای چاپ سه بعدی و تولید افزایشی در هوافضا و کاربردهای با دمای بالا

1. مقدمه

سوپرآلیاژهای پایه نیکل مواد حیاتی برای کاربردهای با عملکرد بالا در هوافضا، تولید برق و توربین‌های گاز صنعتی هستند، زیرا مقاومت استثنایی در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خزش دارند. تولید افزایشی (AM) یا چاپ سه بعدی، امکان تولید قطعات پیچیده، سبک وزن و با عملکرد بالا را با کاهش زمان تحویل و ضایعات مواد فراهم می‌کند.

این راهنما یک مرور کلی دقیق از موارد زیر ارائه می‌دهد:

• سوپرآلیاژهای پایه نیکل کلیدی که در AM استفاده می‌شوند

• روش‌های تولید پودر

• فرآیندهای چاپ سه بعدی

• الزامات پس از پردازش

• کاربردهای هوافضا و صنعتی

2. سوپرآلیاژهای پایه نیکل کلیدی برای چاپ سه بعدی

متداول‌ترین سوپرآلیاژهای نیکل مورد استفاده در AM عبارتند از:

ترکیبات شیمیایی (معمولی)

3. روش‌های تولید پودر برای AM

پودرهای سوپرآلیاژ نیکل باید الزامات سختگیرانه‌ای را برای کروی بودن، توزیع اندازه ذرات و خلوص برآورده کنند. روش‌های اصلی تولید عبارتند از:

الف. اتمیزاسیون گازی (متداول‌ترین)

• فرآیند: فلز مذاب توسط گاز بی‌اثر با فشار بالا (Ar یا N₂) متلاشی می‌شود.

• مزایا: کروی بودن بالا، اندازه ذرات کنترل شده (15-150 میکرومتر).

• مورد استفاده برای: LPBF، DED، Binder Jetting.

ب. فرآیند الکترود چرخشی پلاسما (PREP)

• فرآیند: یک الکترود چرخشی توسط پلاسما ذوب می‌شود و نیروی گریز از مرکز قطرات را تشکیل می‌دهد.

• مزایا: خلوص بسیار بالا، ذرات ماهواره‌ای کم.

• مورد استفاده برای: قطعات حیاتی هوافضا.

ج. اتمیزاسیون آبی (کمتر متداول)

• فرآیند: جت‌های آب فلز مذاب را خرد می‌کنند (کروی بودن کمتر).

• معایب: اشکال نامنظم، محتوای اکسیژن بالاتر.

• مورد استفاده برای: کاربردهای کمتر حیاتی (به عنوان مثال، پوشش‌های اسپری حرارتی).

4. فرآیندهای چاپ سه بعدی برای سوپرآلیاژهای نیکل

الف. همجوشی بستر پودری لیزری (LPBF / SLM)

• بهترین برای: پره‌های توربین با دقت بالا، نازل‌های سوخت.

• پارامترهای معمولی:

  • توان لیزر: 200-400 وات

  • ضخامت لایه: 20-50 میکرومتر

  • سرعت اسکن: 800-1200 میلی‌متر بر ثانیه

ب. ذوب پرتو الکترونی (EBM)

• بهترین برای: قطعات بزرگ و مقاوم در برابر تنش (به عنوان مثال، دیسک‌های توربین).

• پارامترهای معمولی:

  • جریان پرتو: 5-50 میلی‌آمپر

  • ولتاژ شتاب‌دهنده: 60 کیلوولت

  • پیش گرمایش: 700-1000 درجه سانتی‌گراد (کاهش تنش پسماند)

ج. رسوب‌گذاری انرژی هدایت‌شده (DED / LENS)

• بهترین برای: تعمیر پره‌های توربین، قطعات ساختاری بزرگ.

• پارامترهای معمولی:

  • توان لیزر: 500-2000 وات

  • نرخ تغذیه پودر: 5-20 گرم در دقیقه

5. پس از پردازش برای قطعات AM سوپرآلیاژ نیکل

الف. عملیات حرارتی

• تسکین تنش: 870 درجه سانتی‌گراد/1 ساعت (IN625)، 720 درجه سانتی‌گراد/8 ساعت (IN718).

• بازپخت محلول: 1150 درجه سانتی‌گراد/1 ساعت (IN625)، 980 درجه سانتی‌گراد/1 ساعت (IN718).

• پیری (برای IN718): 720 درجه سانتی‌گراد/8 ساعت + 620 درجه سانتی‌گراد/8 ساعت.

ب. پرس ایزواستاتیک داغ (HIP)

• هدف: از بین بردن حفره‌های داخلی (بهبود عمر خستگی).

• شرایط: 1200 درجه سانتی‌گراد @ 100-150 مگاپاسکال به مدت 4 ساعت.

ج. ماشین‌کاری و پرداخت

• ماشین‌کاری CNC: برای تلرانس‌های تنگ.

• پرداخت الکترولیتی: بهبود سطح (Ra <1 میکرومتر).بازرسی NDT: اشعه ایکس CT، آزمایش اولتراسونیک.

• 6. کاربردها در بخش‌های هوافضا و صنعتی

الف. هوافضا

اجزای موتور جت: پره‌های توربین، محفظه‌های احتراق، نازل‌ها (GE، Rolls-Royce).

• پیشرانش موشک: محفظه‌های رانش (موتور SpaceX Raptor).

• قطعات ساختاری: براکت‌ها، سپر حرارتی.

• ب. تولید برق

پره‌های توربین گازی: Siemens Energy، Mitsubishi Heavy Industries.

• قطعات راکتور هسته‌ای: مقاومت در برابر خوردگی در دمای بالا.

• ج. نفت و گاز

ابزارهای درون چاهی: شیرهای مقاوم در برابر خوردگی، مته‌ها.

• مبدل‌های حرارتی: محیط‌های با فشار بالا و دمای بالا.

• 7. چالش‌ها و روندهای آینده

چالش‌ها

هزینه بالای پودر: 100 تا 500 دلار در کیلوگرم بسته به آلیاژ.

• ترک خوردن و تنش پسماند: نیاز به پارامترهای فرآیند بهینه شده دارد.

• محدودیت‌های استفاده مجدد از پودر: اکسیداسیون پس از چندین چرخه.

• روندهای آینده

AI/ML برای بهینه‌سازی فرآیند: کاهش عیوب.

• چاپ چند ماده‌ای: ساختارهای درجه‌بندی شده (به عنوان مثال، IN718 به HX).

• بازیافت پایدار پودر: کاهش ضایعات.

• 8. نتیجه‌گیری

چاپ سه بعدی سوپرآلیاژ پایه نیکل در حال ایجاد تحول در کاربردهای با دمای بالا در هوافضا، انرژی و دفاع است. با پیشرفت در کیفیت پودر، فرآیندهای AM و پس‌پردازش، تولید افزایشی قطعات سبک‌تر، قوی‌تر و کارآمدتر از روش‌های سنتی را امکان‌پذیر می‌کند.