3D-printen van nikkel In625 metaalpoeder voor lucht- en ruimtevaart turbinecomponenten

1. Inleiding

Nikkel-gebaseerde superlegeringen, met name Inconel 625 (In625), worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart vanwege hun uitzonderlijke sterkte bij hoge temperaturen, corrosiebestendigheid en vermoeiingsweerstand. Additive Manufacturing (AM), of 3D-printen, maakt de productie van complexe lucht- en ruimtevaart turbinecomponenten mogelijk met minder materiaalverspilling en verbeterde ontwerpvrijheid.

Deze gedetailleerde beschrijving behandelt de eigenschappen van In625 metaalpoeder, 3D-printprocessen, nabehandeling en toepassingen in lucht- en ruimtevaart turbines.

2. Inconel 625 (In625) metaalpoedereigenschappen

In625 is een nikkel-chroom-molybdeen superlegering met de volgende belangrijkste kenmerken:

Chemische samenstelling (ASTM B443)

Mechanische & Thermische Eigenschappen

• Treksterkte: 930 MPa (bij kamertemperatuur)

• Vloeigrens: 517 MPa

• Rek: 42,5%

• Dichtheid: 8,44 g/cm³

• Smeltpunt: 1290 - 1350°C

• Oxidatiebestendigheid: Uitstekend tot 980°C

• Corrosiebestendigheid: Bestand tegen putcorrosie, spleetcorrosie en zoutwateromgevingen

Poedereigenschappen voor 3D-printen

• Deeltjesgrootteverdeling: 15 - 45 µm (voor LPBF) of 45 - 106 µm (voor DED)

• Morfologie: Sferisch (voor optimale vloeibaarheid)

• Poederproductiemethode: Gasverstuiving (Argon of Stikstof)

• Vloeibaarheid: ≤ 25 s/50g (Hall Flowmeter test)

• Schijnbare dichtheid: ≥ 4,5 g/cm³

3. 3D-printprocessen voor In625 in lucht- en ruimtevaart turbines

De meest voorkomende metaal 3D-printmethoden voor In625 zijn:

A. Laser Powder Bed Fusion (LPBF / SLM)

• Proces: Een krachtige laser smelt selectief In625 poeder laag voor laag.

• Voordelen:

  • Hoge precisie (± 0,05 mm)

  • Fijne oppervlakteafwerking (Ra 5 - 15 µm)

  • Geschikt voor complexe interne koelkanalen in turbinebladen

• Typische parameters:

  • Laservermogen: 200 - 400 W

  • Laagdikte: 20 - 50 µm

  • Scansnelheid: 800 - 1200 mm/s

  • Bouwsnelheid: 5 - 20 cm³/u

B. Directed Energy Deposition (DED / LENS)

• Proces: Een laser of elektronenbundel smelt In625 poeder terwijl het wordt afgezet.

• Voordelen:

  • Hogere afzettingssnelheden (50 - 200 cm³/u)

  • Geschikt voor grote turbinecomponenten en reparaties

• Typische parameters:

  • Laservermogen: 500 - 2000 W

  • Poedertoevoersnelheid: 5 - 20 g/min

C. Electron Beam Melting (EBM)

• Proces: Gebruikt een elektronenbundel in een vacuüm om In625 poeder te smelten.

• Voordelen:

  • Gereduceerde restspanning (door hoge voorverwarmingstemperatuur)

  • Snellere bouwsnelheden dan LPBF

• Typische parameters:

  • Bundelstroom: 5 - 50 mA

  • Versnellingsspanning: 60 kV

  • Laagdikte: 50 - 100 µm

4. Nabehandeling voor lucht- en ruimtevaart turbinecomponenten

Om te voldoen aan strenge lucht- en ruimtevaarteisen, is nabehandeling essentieel:

A. Warmtebehandeling

• Spanningsvrij maken: 870°C gedurende 1 uur (luchtkoeling)

• Oplossingsgloeien: 1150°C gedurende 1 uur (waterafschrikken)

• Veroudering (indien nodig): 700 - 800°C gedurende 8 - 24 uur

B. Hot Isostatic Pressing (HIP)

• Doel: Elimineert interne porositeit (verbetert vermoeiingslevensduur)

• Parameters: 1200°C bij 100 - 150 MPa gedurende 4 uur

C. Bewerking & Afwerking

• CNC-bewerking: Voor onderdelen met nauwe toleranties

• Oppervlakteafwerking: Elektrochemisch polijsten of abrasief stroomfrezen voor gladdere oppervlakken

• Niet-destructief testen (NDT): Röntgen-CT, ultrasoon testen of kleurstofpenetrantinspectie

5. Toepassingen in lucht- en ruimtevaart turbines

3D-geprint In625 wordt gebruikt in kritieke turbinecomponenten, waaronder:

• Turbinebladen & schoepen (met interne koelkanalen)

• Verbrandingskamerbekledingen (hitte- en corrosiebestendigheid)

• Uitlaatsproeiers (stabiliteit bij hoge temperaturen)

• Brandstofsproeiers (GE Aviation's LEAP-motor gebruikt 3D-geprint In625)

• Reparatie van versleten turbineonderdelen (via DED)

Voordelen ten opzichte van traditionele fabricage

✔ Gewichtsvermindering (roosterstructuren & topologie-optimalisatie)
✔ Snellere productie (geen behoefte aan complexe gereedschappen)
✔ Verbeterde prestaties (geoptimaliseerde koelkanalen)
✔ Materiaalbesparing (near-net-shape fabricage)

6. Uitdagingen & Toekomstige trends

Uitdagingen:

• Hoge kosten van In625 poeder

• Restspanning & vervorming (vereist de juiste warmtebehandeling)

• Herbruikbaarheid van poeder beperkt (meestal 5 - 10 cycli voor degradatie)

Toekomstige trends:

• AI-gestuurde procesoptimalisatie (voor foutloos printen)

• Hybride fabricage (AM combineren met CNC-bewerking)

• Nieuwe legeringsontwikkeling (varianten voor hogere temperaturen)