Nickel-gebaseerd superlegeringspoeder voor 3D-printing en additieve fabricage in de lucht- en ruimtevaart en bij hoge temperaturen

1Inleiding

Superlegeringen op basis van nikkel zijn van cruciaal belang voor hoogwaardige toepassingen in de luchtvaart, elektriciteitsopwekking en industriële gasturbines vanwege hun uitzonderlijke hoogtemperatuursterkte.oxidatieweerstandMet additive manufacturing (AM) of 3D-printing kunnen complexe, lichtgewicht en hoogwaardige componenten worden geproduceerd met minder tijd en minder materiaalverspilling.

Deze gids geeft een gedetailleerd overzicht van:

• Belangrijke superlegeringen op basis van nikkel die worden gebruikt in AM

• Productiemethoden voor poeder

• 3D-printprocessen

• Verplichtingen na de verwerking

• Aerospace en industriële toepassingen

2Belangrijke superlegeringen op basis van nikkel voor 3D-printen

De meest gebruikte nikkel superlegeringen in AM zijn:

Chemische samenstellingen (typisch)

3Productiemethoden voor poeder voor AM

Nickelsuperlegeringspoeders moeten voldoen aan strenge eisen aan bolvormigheid, deeltjesverdeling en zuiverheid.

A. Gasautomisatie (meest voorkomend)

• Proces: Gesmolten metaal wordt ontbonden door hoge druk inert gas (Ar of N2).

• Voordelen: hoge bolvormigheid, gecontroleerde deeltjesgrootte (15-150 μm).

• Gebruikt voor: LPBF, DED, Binder Jetting.

B. Plasma roterende elektrodeproces (PREP)

• Proces: Een roterende elektrode wordt door plasma gesmolten en de centrifugale kracht vormt druppels.

• Voordelen: zeer hoge zuiverheid, lage satellietdeeltjes.

• Gebruikt voor: Critische lucht- en ruimtevaartcomponenten.

C. Wateraatomisatie (minder voorkomend)

• Proces: waterstralen breken gesmolten metaal op (lagere bolvormigheid).

• Nadelen: Onregelmatige vormen, hoger zuurstofgehalte.

• Gebruikt voor: minder kritische toepassingen (bijv. thermische sproeicoatings).

4. 3D-printprocessen voor nikkel superlegeringen

A. Laserpoederbedfusie (LPBF / SLM)

• Het beste voor: Hoogprecisie turbinebladen, brandstof sproeiers.

• Typische parameters:

  • Laservermogen: 200-400W

  • laagdikte: 20-50 μm

  • Scan snelheid: 800-1200 mm/s

B. Elektronenstraalsmelting (EBM)

• Het beste voor: Grote, spanningsbestendige componenten (bijv. turbineschijven).

• Typische parameters:

  • Straalstroom: 5-50 mA

  • Versnellingsspanning: 60 kV

  • Voorverhitting: 700-1000°C (vermindert restspanning)

C. Georiënteerde energiedepositie (DED / LENS)

• Het beste voor: reparatie van turbinebladen, grote structurele onderdelen.

• Typische parameters:

  • Laservermogen: 500-2000W

  • Poedervoeder: 5-20 g/min.

5. Naverwerking van AM-onderdelen van nikkel-superlegeringen

A. Warmtebehandeling

• Stressverlichting: 870°C/1h (IN625), 720°C/8h (IN718).

• Oplossing Annealing: 1150°C/1h (IN625), 980°C/1h (IN718).

• Veroudering (voor IN718): 720°C/8h + 620°C/8h.

B. Warm isostatisch persen (HIP)

• Doel: Verwijderen van interne leegtes (verbetert de vermoeidheid).

• Voorwaarden: 1200 °C @ 100-150 MPa gedurende 4 uur.

C. Bewerking en afwerking

• CNC-bewerking: voor strakke toleranties.

• Elektropolishing: Verbetert de oppervlakteafwerking (Ra < 1 μm).

• NDT-inspectie: röntgen-CT, ultrasone testen.

6Toepassingen in de lucht- en ruimtevaart- en industriële sector

A. Luchtvaart

• Componenten van straalmotoren: turbinebladen, verbrandingsmotoren, sproeiers (GE, Rolls-Royce).

• Raket aandrijving: stuwkamers (SpaceX Raptor-motor).

• Structurele onderdelen: beugels, warmtebescherming.

B. Energieopwekking

• Gasturbinebladen: Siemens Energy, Mitsubishi Heavy Industries.

• Kernreactoronderdelen: hoge temperatuur corrosiebestendigheid.

C. Olie en gas

• Ondergrondse gereedschappen: corrosiebestendige kleppen, boorboten.

• Warmtewisselaars: Omgevingen met hoge druk en hoge temperatuur.

7. Uitdagingen en toekomstige trends

Uitdagingen

• Hoge kosten van poeder: $100-$500/kg, afhankelijk van de legering.

• Cracking & Residual Stress: vereist geoptimaliseerde procesparameters.

• Grenzen voor hergebruik van poeder: oxidatie na meerdere cycli.

Toekomstige trends

• AI/ML voor procesoptimalisatie: vermindering van gebreken.

• Multi-Materialen Printing: Geklasseerde structuren (bijv. IN718 tot HX).

• Duurzame poederrecycling: vermindering van afval.

8Conclusies

Met de vooruitgang in poederkwaliteit, AM-processen en nabehandeling, is de 3D-printen van superlegeringen op basis van nikkel een revolutie in hoge temperatuur toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, energie en defensie.de additieve vervaardiging maakt het mogelijk een lichtere, sterkere en efficiëntere componenten dan traditionele methoden.