Inconel 718 ในการผลิตแบบเติมเนื้อ: การพิมพ์ 3 มิติสำหรับส่วนประกอบการบินและอวกาศ

อินโคเนล 718 (UNS N07718)เป็นซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิล-ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในการผลิตสารเติมแต่งด้านการบินและอวกาศ ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 60% ของชิ้นส่วน AM ที่เป็นโลหะทั้งหมดในเครื่องยนต์กังหันแก๊ส การผสมผสานระหว่างความแข็งแกร่งของอุณหภูมิสูง- (สูงถึง 700 องศา C) ความต้านทานการคืบที่ดีเยี่ยม และความสามารถในการเชื่อมที่ดี ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการเลเซอร์ผงเบดฟิวชัน (LPBF) และกระบวนการหลอมลำอิเล็กตรอน (EBM) บทความนี้จะตรวจสอบพารามิเตอร์กระบวนการ วิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาค สมบัติเชิงกล ข้อกำหนดหลังการประมวลผล- และมาตรฐานคุณภาพสำหรับส่วนประกอบ Inconel 718 AM เกรดอากาศยาน-

Inconel 718 in Additive Manufacturing 3D Printing for Aerospace Components

Inconel 718 คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 60% ของชิ้นส่วน AM โลหะในเครื่องยนต์กังหันแก๊ส เนื่องจากมีความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดของความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูง- (สูงถึง 700 องศาเซลเซียส) ความสามารถในการเชื่อมที่ดีเยี่ยมพร้อมความไวต่อการแตกร้าวน้อยที่สุด และ-ฐานข้อมูลพารามิเตอร์กระบวนการที่ได้รับการยอมรับอย่างดีทั่วทั้งแพลตฟอร์ม LPBF และ EBM

Inconel 718 เป็นโลหะผสมโครเมียม-นิกเกิลที่ชุบแข็งได้-ด้วยการตกตะกอน ซึ่งมีการเติมธาตุเหล็ก ไนโอเบียม โมลิบดีนัม และไทเทเนียมเป็นจำนวนมาก โลหะผสมได้ความแข็งแรงมาจากแกมมาไพรม์คู่ (Ni3Nb) และแกมมาไพรม์ (Ni3(Al,Ti)) ที่ตกตะกอนซึ่งก่อตัวขึ้นในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อนตามอายุ ข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อได้แก่:

คุณสมบัติ	อินโคเนล 718	อินโคเนล 625	วัสปาลอย	ความเกี่ยวข้องกับ AM
อุณหภูมิของโซลิดัส	1260 องศาเซลเซียส	1290 องศาเซลเซียส	1330 องศาเซลเซียส	โซลิดัสตอนล่าง=หน้าต่างการประมวลผลที่กว้างขึ้น
ความไวต่อรอยแตก	ต่ำ	ต่ำมาก	สูง	ลดการแคร็กแข็งตัวใน AM
เนื้อหาแกมมาไพรม์	15-20%	0%	40%	ปริมาณตะกอนปานกลาง=สามารถเชื่อมได้ดี
ความต้านแรงดึง (RT)	1375 เมกะปาสคาล	827 เมกะปาสคาล	1295 เมกะปาสคาล	สูงที่สุดในบรรดาซูเปอร์อัลลอยที่เชื่อมได้
คืบแตก (650 องศาเซลเซียส)	400+ ชั่วโมง	150 ชม	600+ ชั่วโมง	เหมาะสำหรับส่วนประกอบกังหัน
ราคาผง ($/กก.)	80-120	90-130	150-200	ต้นทุน-มีประสิทธิภาพสำหรับการผลิต
ฐานข้อมูลกระบวนการ AM	กว้างขวาง	จำกัด	มีจำกัดมาก	ความพร้อมด้านเทคโนโลยีที่สมบูรณ์
การยอมรับ AM การบินและอวกาศ	ชิ้นส่วนกังหันมากกว่า 60%	15%	5%	มาตรฐานอุตสาหกรรม

ที่มา: ASTM B637; แซ่ AMS 5662; ฐานข้อมูล GE Aviation AM ปี 2024

ปริมาณแกมมาไพรม์ที่ค่อนข้างต่ำของโลหะผสม (15-20% เทียบกับ 40%+ ใน Waspaloy และ Udimet 720) ช่วยลดความเสี่ยงของความเครียด-การแตกร้าวของอายุระหว่างการบำบัดความร้อนหลัง AM ทำให้ Inconel 718 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับรูปทรง AM ที่ซับซ้อนซึ่งต้องการการบรรเทาความเครียดและการแข็งตัวของฝนโดยไม่แตกร้าว

พารามิเตอร์ LPBF ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ Inconel 718 คือกำลังเลเซอร์ 200-300W ความเร็วในการสแกน 800-1200 มม./วินาที ความหนาของชั้น 30-40 ไมโครเมตร และระยะห่างฟัก 80-120 ไมโครเมตร ทำให้มีความหนาแน่นสูงกว่า 99.9% และความหยาบผิว Ra ที่ 5-10 ไมโครเมตร

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) เป็นกระบวนการ AM ที่โดดเด่นสำหรับส่วนประกอบด้านการบินและอวกาศ Inconel 718 กรอบเวลากระบวนการกำหนดโดยความหนาแน่นพลังงานตามปริมาตร (VED) ซึ่งคำนวณได้ดังนี้:

VED (J/mm3)=กำลังเลเซอร์ (W) / [ความเร็วการสแกน (มม./วินาที) x ระยะห่างของฟัก (มม.) x ความหนาของชั้น (มม.)]

พารามิเตอร์	ช่วงที่เหมาะสมที่สุด	ผลกระทบหากต่ำเกินไป	ผลกระทบหากสูงเกินไป	ความอดทนที่สำคัญ
พลังเลเซอร์	200-300 W	ขาดฟิวชัน, มีรูพรุน	รูกุญแจ, โปรยลงมา	+/- 10 W
ความเร็วในการสแกน	800-1200 มม./วินาที	สระน้ำละลายมากเกินไปขี้เถ้า	ขาดฟิวชั่นลูกบอล	+/- 50 มม./วินาที
ความหนาของชั้น	30-40 ไมโครเมตร	ความละเอียดไม่ดี เอฟเฟกต์ขั้นบันได-	การละลายที่ไม่สมบูรณ์	+/- 5 ไมโครเมตร
ระยะห่างฟัก	80-120 ไมโครเมตร	การถลุงใหม่ ผลผลิตต่ำ	ขาดการผสมผสานระหว่างแทร็ก	+/- 10 ไมโครเมตร
ความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตร	50-80 เจ/มม3	ความพรุน > 0.5%	การเจาะรูกุญแจ ความขรุขระของพื้นผิว	+/- 5 เจ/มม3
เปิดอุณหภูมิ	80-200 องศาเซลเซียส	ความเค้นตกค้าง > 800 MPa	ความเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชัน	+/- 20 องศาเซลเซียส
สร้างอุณหภูมิแผ่น	100-200 องศาเซลเซียส	การบิดเบี้ยว, การหลุดร่อน	การสลายตัวของผง	+/- 10 องศาเซลเซียส
ห้องออกซิเจน	< 100 ppm	การรวมออกไซด์คุณสมบัติไม่ดี	ปัญหาความเสถียรของกระบวนการ	< 50 ppm recommended

ที่มา: คู่มือพารามิเตอร์ EOS Inconel 718; แซ่ AMS 7011; นาซา เอ็มเอสเอฟซี-STD-3716

ระบบ LPBF สมัยใหม่ใช้กลยุทธ์การสแกนแบบลายทางหรือแบบตารางหมากรุก โดยมีการหมุน 67- องศาระหว่างเลเยอร์เพื่อลดความเค้นตกค้างและการพัฒนาพื้นผิว ความกว้างของแถบโดยทั่วไปคือ 5-10 มม. โดยมีการเหลื่อมกันระหว่างแถบ 10% สำหรับส่วนประกอบที่มีผนังบางสูงและสูง การสแกนรูปร่างที่กำลังไฟลดลง (150-200W) และความเร็วที่ช้าลง (600-800 มม./วินาที) จะช่วยปรับปรุงผิวสำเร็จและความแม่นยำของมิติ

EBM ผลิต Inconel 718 โดยมีแรงเค้นตกค้างลดลง 40-60% มีโครงสร้างเกรนที่ละเอียดกว่า (ขนาดเกรนเฉลี่ย 20-50 ไมโครเมตร เทียบกับ 50-200 ไมโครเมตรสำหรับ LPBF) และขจัดความจำเป็นในการบรรเทาความเครียด แต่ได้รับความแม่นยำของขนาดที่ต่ำกว่า (+/- 0.3 มม. เทียบกับ +/- 0.1 มม.) และต้องใช้การทำงานของสุญญากาศ

How Does EBM Compare to LPBF for Inconel 718 Aerospace Components

ลักษณะเฉพาะ	LPBF (เลเซอร์)	EBM (ลำแสงอิเล็กตรอน)	ผลกระทบด้านการบินและอวกาศ	เกณฑ์การคัดเลือก
สร้างอุณหภูมิ	80-200 องศาเซลเซียส	900-1100 องศาเซลเซียส	ความเค้นตกค้าง: LPBF 800+ MPa, EBM < 200 MPa	EBM เหมาะสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่และซับซ้อน
โครงสร้างเกรน	เรียงเป็นแนว 50-200 ไมโครเมตร	Equiaxed, 20-50 ไมโครเมตร	EBM: คุณสมบัติไอโซโทรปิกมากขึ้น	EBM สำหรับความล้า-ส่วนประกอบที่สำคัญ
เป็น-ความหนาแน่นที่สร้างขึ้น	99.5-99.9%	99.7-99.95%	ทั้งสองมีความหนาแน่นเต็มที่หลังจาก HIP	เทียบเท่ากับความแรงคงที่
ความหยาบผิว (Ra)	5-10 ไมโครเมตร	20-30 ไมโครเมตร	LPBF ต้องการการตัดเฉือนน้อยกว่า	LPBF สำหรับคุณสมบัติที่แม่นยำ
ความแม่นยำของมิติ	+/- 0.1 มม	+/- 0.3 มม	LPBF: ความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดยิ่งขึ้น	LPBF สำหรับพื้นผิวผสมพันธุ์
ขนาดคุณสมบัติขั้นต่ำ	0.1-0.2 มม	0.3-0.5 มม	LPBF: รายละเอียดปลีกย่อย	LPBF สำหรับผนังบาง ช่องระบายความร้อน
อัตราการสร้าง	5-20 ลบ.ซม./ชม	50-80 ลบ.ซม./ชม	EBM: เร็วขึ้น 3-5 เท่า	EBM สำหรับการผลิตที่มีปริมาณมาก-
การรีไซเคิลผง	5-10 รอบ	10-20 รอบ	EBM: ลดต้นทุนผงต่อชิ้นส่วน	EBM สำหรับโปรแกรมที่คำนึงถึงต้นทุน-
โครงสร้างการสนับสนุน	จำเป็น (10-30% ของปริมาตรชิ้นส่วน)	น้อยที่สุด (รองรับเค้กซินเตอร์)	EBM: ประมวลผลภายหลัง-น้อยลง	EBM สำหรับช่องทางภายในที่ซับซ้อน
จำเป็นต้องบรรเทาความเครียด	ใช่ บังคับ	ไม่-บรรเทาความเครียดในแหล่งกำเนิด	EBM: ขั้นตอนการทำงานที่เรียบง่าย	EBM ลดระยะเวลารอคอยสินค้าลง 2-3 วัน

ที่มา: คู่มือผู้ใช้ Arcam EBM Inconel 718; เอกสารพารามิเตอร์ EOS M 290; ข้อกำหนดกระบวนการการบินของ GE

อุณหภูมิการสร้างที่สูงขึ้นใน EBM (900-1100 องศา C) เข้าใกล้อุณหภูมิการอบอ่อนของสารละลาย Inconel 718 ส่งผลให้-บรรเทาความเครียดจากแหล่งกำเนิดและมีโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการบิดเบี้ยวในระหว่างการบรรเทาความเครียดหลังการสร้าง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับส่วนประกอบการบินและอวกาศขนาดใหญ่ เช่น เคสกังหันและฉากยึดโครงสร้าง อย่างไรก็ตาม ผิวสำเร็จที่หยาบกว่าของ EBM และค่าเผื่อที่ลดลงทำให้จำเป็นต้องตัดเฉือนสำหรับพื้นผิวที่ใช้งานมากที่สุด

ขณะที่-Inconel 718 ที่สร้างขึ้นมีลายเสาเรียงตามทิศทางการสร้าง แข็งแรง<001>พื้นผิวของเส้นใย การแยกเฟสของ Laves และคาร์ไบด์ที่บริเวณระหว่างเดนไดรต์ และความแข็งระดับไมโครที่ 320-380 HV ซึ่งจำเป็นต้องมีการหลอมสารละลายและการบ่มสองเท่าเพื่อให้เกิดการแข็งตัวด้วยการตกตะกอน

คุณสมบัติโครงสร้างจุลภาค	LPBF ตาม-สร้างขึ้น	EBM เมื่อ-สร้างขึ้น	พื้นฐานที่ทำขึ้น	ความสำคัญของการบินและอวกาศ
สัณฐานวิทยาของเมล็ดพืช	เรียงเป็นแนว อัตราส่วนภาพ 3:1 ถึง 5:1	เสาแบบผสม-เท่ากัน อัตราส่วน 1.5:1 ถึง 2:1	เทียบเท่า ASTM 4-6	เมล็ดเรียงเป็นแนวทำให้เกิดคุณสมบัติแอนไอโซทรอปิก
ขนาดเกรนเฉลี่ย	50-200 ไมโครเมตร (ความยาว)	20-50 ไมโครเมตร	25-100 ไมโครเมตร	เมล็ดละเอียดกว่า=ให้ผลผลิตสูงกว่า (Hall-เพชร)
พื้นผิวคริสตัลโลกราฟิก	แข็งแกร่ง<001>เนื้อไฟเบอร์ (สุ่ม 3-5x)	พื้นผิวปานกลาง (สุ่ม 1.5-2x)	สุ่ม	พื้นผิวส่งผลต่ออัตราการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้า
เศษส่วนเฟสลาเวส	3-8%	2-5%	< 1%	เฟส Laves ทำให้ Nb ลดลง ลดความแข็งแกร่ง
การกระจายตัวของคาร์ไบด์	MC คาร์ไบด์ที่ขอบเกรน	MC และ M23C6 แบบกระจาย	คาร์ไบด์ MC แบบกระจายตัว	คาร์ไบด์ส่งผลต่อความต้านทานการคืบ
แกมมา ดับเบิ้ล ไพร์ม	ไม่มี (ต้องการอายุ)	น้อยที่สุด (ใน-การแก่ชราในแหล่งกำเนิดใน EBM)	15-20% หลังการรักษาความร้อน	ตะกอนให้ความแข็งแรง
ความแข็งระดับไมโคร (HV)	320-380	350-420	340-400 (สารละลายอบอ่อน)	ความแข็งบ่งบอกถึงสถานะการตกตะกอน
ความพรุนที่เหลือ	0.1-0.5% (ความพรุนของก๊าซ, ขาดฟิวชัน)	0.05-0.3%	< 0.01%	ความพรุนช่วยลดอายุความเมื่อยล้า

ที่มา: Acta Materialia เล่ม 215 (2021); ธุรกรรมทางโลหะวิทยา A เล่มที่ 52 (2021); รายงานทางเทคนิคของ NASA NASA/TM-2020-5001273

อัตราการแข็งตัวอย่างรวดเร็วใน LPBF (10^5 ถึง 10^6 K/s) และ EBM (10^3 ถึง 10^4 K/s) ส่งผลให้ความสามารถในการละลายของของแข็งขยายออกไปและโครงสร้างเดนไดรต์ที่บริสุทธิ์เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่ขึ้นรูป อย่างไรก็ตามการแยกไนโอเบียมในระหว่างการแข็งตัวช่วยส่งเสริมการก่อตัวของเฟส Laves ที่บริเวณ interdendritic เฟสของ Laves (Ni,Fe,Cr)2(Nb,Mo,Ti) จะเปราะและทำให้เมทริกซ์ของไนโอเบียมหมดสิ้นซึ่งจำเป็นสำหรับการตกตะกอนแกมมาดับเบิ้ลไพรม์ การหลอมสารละลายที่อุณหภูมิ 1,065-1100 องศาเซลเซียส จะละลายเฟส Laves และทำให้การกระจายตัวของไนโอเบียมเป็นเนื้อเดียวกัน

ชิ้นส่วน Inconel 718 AM เกรดอากาศยาน-ต้องใช้การกดไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP) ที่ 1165-1190 องศา C / 100-150 MPa / 4 ชั่วโมง ตามด้วยการอบอ่อนสารละลายที่ 1065-1100 องศา C / 1 ชั่วโมง และบ่มสองเท่าที่ 760 องศา C / 10 ชั่วโมง + 650 องศา C / 8 ชั่วโมงเพื่อให้ได้ความต้านทานแรงดึง 1,375 MPa และอายุการแตกร้าวของความเครียดเกิน 400 ชั่วโมงที่ 650 องศาเซลเซียส

What Heat Treatment Is Required for Aerospace-Grade Inconel 718 AM Parts

ขั้นตอนการรักษา	พารามิเตอร์	วัตถุประสงค์	ผลลัพธ์	การอ้างอิงข้อมูลจำเพาะ
การบรรเทาความเครียด (LPBF เท่านั้น)	1,065 องศาเซลเซียส / 1 ชั่วโมง / AC	บรรเทาความเครียดตกค้าง ป้องกันการบิดเบือน	ความเค้นตกค้าง < 50 MPa	เอเอ็มเอส 2774
การกดไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP)	1165-1190 องศา C / 100-150 MPa / 4 ชั่วโมง / FC	ขจัดความพรุน ปรับปรุงความเหนื่อยล้า	ความหนาแน่น > 99.99%, ความพรุน < 0.01%	AMS 2750, ASTM A988
การหลอมสารละลาย	1,065-1100 องศาเซลเซียส / 1 ชั่วโมง / ไฟฟ้ากระแสสลับ	ละลายเฟส Laves ทำให้ Nb เป็นเนื้อเดียวกัน	ความสม่ำเสมอของ Nb > 95%, Laves < 1%	อมส 5662
การแก่ชราครั้งแรก	760 องศาเซลเซียส / 10 ชั่วโมง / FC ถึง 650 องศาเซลเซียส	ตกตะกอนแกมมาดับเบิ้ลไพรม์	แกมมาดับเบิ้ลไพรม์ 10-15%	อมส 5662
การแก่ชราครั้งที่สอง	650 องศา C / 8 ชั่วโมง / AC	ปริมาณน้ำฝนที่สมบูรณ์ มากเกินไปเพื่อความมั่นคง	แกมมาดับเบิ้ลไพรม์ + แกมมาไพรม์ 18-22%	อมส 5662
การแก่ชราโดยตรงทางเลือก	720 องศาเซลเซียส / 8 ชั่วโมง + 620 องศา C / 8 ชั่วโมง	ข้ามการหลอมสารละลายสำหรับรูปทรงง่ายๆ	ความแข็งแรง +5-10% ความเหนียว -20%	ไม่แนะนำสำหรับการบินและอวกาศ

ที่มา: SAE AMS 2774; แซ่ AMS 5662; นาซา MSFC-SPEC-3717; มาตรฐาน ASTM F3055

HIP เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชิ้นส่วน AM ในอวกาศ เนื่องจากจะปิดรูพรุนภายในที่ทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกเมื่อยล้า การศึกษาแสดงให้เห็นว่า HIP ช่วยยืดอายุความเมื่อยล้าได้ 50-200% เมื่อเทียบกับวัสดุ AM ที่ไม่ใช่ของ HIP หน้าต่างอุณหภูมิการอบอ่อนของสารละลาย (1,065-1,100 องศาเซลเซียส) มีความสำคัญอย่างยิ่ง: อุณหภูมิที่ต่ำกว่า 1,065 องศาเซลเซียสไม่สามารถละลายเฟส Laves ได้เต็มที่ ในขณะที่อุณหภูมิที่สูงกว่า 1,100 องศาเซลเซียส จะทำให้เกรนเติบโตมากเกินไป (ASTM 2 หรือหยาบกว่า) ซึ่งจะทำให้ความต้านทานการคืบลดลง

LPBF และ EBM Inconel 718 ที่ได้รับความร้อนเต็มที่- บรรลุคุณสมบัติแรงดึงภายใน 5% ของวัสดุดัดขึ้นรูป (1375 MPa UTS, 1100 MPa YS, การยืดตัว 15%) และเกินอายุความล้าที่เกิดจาก 20-40% หลังจาก HIP แต่แสดงความแปรผันแบบแอนไอโซโทรปิก 15-25% ในความเหนียวและแรงกระแทกเนื่องจากพื้นผิวตกค้าง

คุณสมบัติ	LPBF (สะโพก + HT)	EBM (สะโพก + HT)	ทำ (AMS 5662)	ข้อกำหนดด้านการบินและอวกาศ
ความต้านแรงดึงขั้นสูงสุด (RT)	1350-1400 เมกะปาสคาล	1330-1380 เมกะปาสคาล	ขั้นต่ำ 1,375 MPa	ขั้นต่ำ 1240 MPa (AMS 5662)
ความแข็งแรงของผลผลิต (RT)	1,080-1130 เมกะปาสคาล	1,060-1110 เมกะปาสคาล	ขั้นต่ำ 1100 MPa	ขั้นต่ำ 1,035 MPa (AMS 5662)
การยืดตัว (RT)	12-18%	14-20%	ขั้นต่ำ 15%	ขั้นต่ำ 12% (AMS 5662)
การลดพื้นที่ (RT)	25-35%	30-40%	ขั้นต่ำ 30%	ขั้นต่ำ 20% (AMS 5662)
UTS ที่ 650 องศาเซลเซียส	1100-1180 เมกะปาสคาล	1,080-1150 เมกะปาสคาล	โดยทั่วไป 1,150 MPa	ไม่ระบุ
ให้ผลผลิตที่อุณหภูมิ 650 องศาเซลเซียส	900-950 เมกะปาสคาล	880-930 เมกะปาสคาล	โดยทั่วไป 920 MPa	ไม่ระบุ
ความเครียดแตก (650 องศาเซลเซียส 690 MPa)	350-500 ชม	400-550 ชม	นาที. 400 ชม	ขั้นต่ำ 400 ชั่วโมง (AMS 5662)
คืบ (650 องศา C, 690 MPa, 0.2%)	80-120 ชม	90-130 ชม	ปกติ 100 ชม	ไม่ระบุ
ความล้าของรอบสูง (10^7 รอบ, RT)	500-550 เมกะปาสคาล	520-580 เมกะปาสคาล	480-520 เมกะปาสคาล	ไม่ระบุ
ความเหนื่อยล้าในรอบต่ำ (10^4 รอบ, RT)	+/- 0.8% ความเครียด	+/- 0.85% ความเครียด	+/- 0.75% ความเครียด	ไม่ระบุ
ความเหนียวแตกหัก KIC (RT)	100-120 MPa ตร.ฟุต (ม.)	110-130 MPa ตร.ฟุต (ม.)	100-130 MPa ตร.ฟุต (ม.)	ไม่ระบุ
พลังงานกระแทกชาร์ปี (RT)	40-60 J	50-70 J	45-65 J	ไม่ระบุ

ที่มา: SAE AMS 5662; MMPDS-17; รายงานทางเทคนิคของ NASA NASA/TM-2020-5001273; ฐานข้อมูลการทดสอบโลหะผสมของ JN

โครงสร้างจุลภาคที่ได้รับการปรับปรุงจากการแข็งตัวอย่างรวดเร็วช่วยให้ประสิทธิภาพการล้าของ AM Inconel 718 ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม แอนไอโซโทรปียังคงเป็นข้อกังวล: ความเหนียวของแรงดึงและความต้านทานแรงกระแทกที่ทดสอบในแนวตั้งฉากกับทิศทางการขึ้นรูป โดยทั่วไปจะต่ำกว่าค่าตามยาว 15-25% แอนไอโซโทรปีนี้มีสาเหตุมาจากโครงสร้างเกรนเรียงเป็นแนวและ<001>การจัดตำแหน่งพื้นผิว สำหรับการแตกหัก-ส่วนประกอบที่สำคัญ การออกแบบที่อนุญาตต้องคำนึงถึงความแปรผันของคุณสมบัติทิศทางด้วย

ผง Aerospace Inconel 718 ต้องเป็นไปตามการกระจายขนาดอนุภาค 15-45 ไมโครเมตร (D10: 20 ไมโครเมตร, D50: 30 ไมโครเมตร, D90: 40 ไมโครเมตรสำหรับ LPBF), ปริมาณออกซิเจนต่ำกว่า 200 ppm, ไนโตรเจนต่ำกว่า 100 ppm, ความสามารถในการไหลของผงมากกว่า 25 วินาที/50 กรัม และความหนาแน่นปรากฏสูงกว่า 4.5 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ต่อ AMS 7011 และ ASTM F3049

What Powder Quality Standards Apply to Aerospace Inconel 718 AM

พารามิเตอร์	ขีดจำกัดข้อมูลจำเพาะ	ค่านิยมทั่วไป	ผลกระทบหากไม่-ของ-ข้อกำหนดเฉพาะ	วิธีทดสอบ
ขนาดอนุภาค D10	15-22 ไมโครเมตร	18-20 ไมโครเมตร	D10 ต่ำเกินไป: มีการไหลไม่ดี มีข้อบกพร่องในการแพร่กระจาย	ASTM B822 (การเลี้ยวเบนของเลเซอร์)
ขนาดอนุภาค D50	28-35 ไมโครเมตร	30-32 ไมโครเมตร	D50 สูงเกินไป: ความหนาแน่นของการบรรจุต่ำ, ความพรุน	มาตรฐาน ASTM B822
ขนาดอนุภาค D90	38-48 ไมโครเมตร	40-43 ไมโครเมตร	D90 สูงเกินไป: ขาดฟิวชัน, พื้นผิวขรุขระ	มาตรฐาน ASTM B822
ดาวเทียม (< 10 micrometers)	< 5%	2-4%	ดาวเทียมทำให้เกิดการรวมตัวกัน การแพร่กระจายไม่ดี	การวิเคราะห์ภาพ SEM
ปริมาณออกซิเจน	< 200 ppm	100-150 แผ่นต่อนาที	O2 สูง: การรวมออกไซด์ ความเหนียวลดลง	ASTM E1019 (ฟิวชั่นก๊าซเฉื่อย)
ปริมาณไนโตรเจน	< 100 ppm	40-80 แผ่นต่อนาที	N2 สูง: การก่อตัวของไนไตรด์, การเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติ	มาตรฐาน ASTM E1019
ความหนาแน่นที่เห็นได้ชัด	>4.5 ก./ซม.3	4.6-4.8 ก./ซม.3	ความหนาแน่นต่ำ: การบรรจุไม่ดี, ความพรุน	ASTM B212 (มิเตอร์ฮอลล์)
ความสามารถในการไหล (ฮอลล์)	< 25 seconds/50g	18-22 วินาที/50ก	การไหลช้า: ข้อบกพร่องที่แพร่กระจาย ชั้นไม่สม่ำเสมอ-	มาตรฐาน ASTM B213
ความสามารถในการรีไซเคิลผง (รอบ)	5-10 รอบ (LPBF)	โดยทั่วไป 8-10 รอบ	การใช้ซ้ำมากเกินไป: การสะสมของออกไซด์, การสูญเสียทรัพย์สิน	ติดตามการเปลี่ยนแปลง PSD, O2 เพิ่มขึ้น
การปนเปื้อน (อนุภาคต่างประเทศ)	< 0.01%	< 0.005%	สารปนเปื้อน: การรวมตัว การกระจายของคุณสมบัติ	การวิเคราะห์ SEM/EDS

ที่มา: SAE AMS 7011; มาตรฐาน ASTM F3049; มาตรฐาน ASTM F3055; ข้อมูลจำเพาะของผง EOS

ความสามารถในการรีไซเคิลผงเป็นปัจจัยด้านต้นทุนที่สำคัญสำหรับการผลิต AM ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าผง Inconel 718 สามารถนำมาใช้ซ้ำได้ 8-10 รอบใน LPBF และ 15-20 รอบใน EBM ก่อนที่การกระจายขนาดอนุภาคจะเปลี่ยนไปและการรับออกซิเจนจะเกินขีดจำกัดที่ยอมรับได้ โปรโตคอลการจัดการผงต้องติดตามรอบการใช้ซ้ำสะสมและผสมผงบริสุทธิ์เพื่อรักษาคุณลักษณะที่สม่ำเสมอ อัตราการเติมผงบริสุทธิ์โดยทั่วไปคือ 20-30% ต่อรอบการสร้าง

ส่วนประกอบ Aerospace AM Inconel 718 ต้องการการสแกน CT 100% เพื่อหาข้อบกพร่องภายใน (ขนาดข้อบกพร่องที่ตรวจพบขั้นต่ำ 0.2 มม.) การตรวจสอบพื้นผิวโดยใช้สารแทรกซึมสีย้อมหรือกระแสไหลวน การตรวจสอบมิติตาม ISO 2768-mK และการทดสอบทางกลของตัวอย่างพยานตาม NASA MSFC-STD-3716 และ ASTM F3055

วิธี NDT	ความสามารถในการตรวจจับ	แอปพลิเคชัน	เกณฑ์การยอมรับ	การอ้างอิงมาตรฐาน
เอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT)	ความพรุน > 0.2 มม. ขาดฟิวชัน > 0.3 มม	การตรวจจับข้อบกพร่องภายใน	รูพรุนสูงสุด: 0.5 มม., กระจุกสูงสุด: 3 มม	มาตรฐาน ASTM E1441, มาตรฐาน ASTM E1695
สารแทรกซึมสีย้อม (FPI)	รอยแตกบนพื้นผิว > 0.5 มม	การตรวจจับข้อบกพร่องที่พื้นผิว	ไม่มีรอยแตก รูพรุน หรือสิ่งเจือปน	มาตรฐาน ASTM E1417, AMS 2644
เอ็ดดี้ เคอร์เรนท์	พื้นผิว/ใกล้-ข้อบกพร่องที่พื้นผิว > 0.2 มม	การสแกนพื้นผิวความเร็วสูง-	ไม่มีข้อบ่งชี้ > มาตรฐานอ้างอิง	มาตรฐาน ASTM E309
อัลตราโซนิก (อาร์เรย์เฟส)	ข้อบกพร่องภายใน > 0.5 มม	การตรวจสอบส่วนหนา-	ข้อกำหนดเฉพาะต่อส่วน-	มาตรฐาน ASTM E2375
การถ่ายภาพรังสี (เอ็กซ์-รังสี)	ช่องว่าง > ความหนา 1% รวม	บริเวณที่มีความหนาแน่นสูง- เรขาคณิตที่ซับซ้อน	ตาม ASTM E1742 ระดับคุณภาพ 2-2T	มาตรฐาน ASTM E1742
มิติ (CMM)	+/- 0.025 มม. (ห้องปฏิบัติการ), +/- 0.05 มม. (การผลิต)	การตรวจสอบมิติ	ความคลาดเคลื่อนต่อการวาดภาพ	ISO 2768-mK
ความหยาบผิว	วัดรา	ในฐานะ-พื้นผิวที่สร้างขึ้นและตัดเฉือน	Ra < 6.3 ไมโครเมตร (ตาม-สร้างขึ้น), Ra < 1.6 (กลึง)	ISO 4287
การทดสอบตัวอย่างพยาน	ตัวอย่างแรงดึง ความล้า การคืบจากโครงสร้างเดียวกัน	การตรวจสอบคุณสมบัติทางกล	ตาม AMS 5662 หรือข้อกำหนดชิ้นส่วน	ASTM F3055, NASA MSFC-STD-3716

ที่มา: NASA MSFC-STD-3716; มาตรฐาน ASTM F3055; แซ่ ARP5752; ISO2768

การสแกน CT เป็นวิธี NDT หลักสำหรับชิ้นส่วน AM เนื่องจากจะจับการกระจายข้อบกพร่อง 3 มิติเต็มรูปแบบ ระบบไมโคร-CT สมัยใหม่ให้ขนาดว็อกเซล 10-20 ไมโครเมตร ทำให้สามารถตรวจจับกลุ่มที่มีรูพรุน ขาด-ข้อบกพร่องของการหลอมรวม และการรวมตัวที่อาจหลุดรอดจากการถ่ายภาพรังสีแบบเดิมๆ สำหรับชิ้นส่วนการผลิต ข้อมูล CT จะถูกเปรียบเทียบกับแบบจำลอง CAD เพื่อตรวจสอบความสมบูรณ์ภายในและความสอดคล้องของมิติในการตรวจสอบครั้งเดียว

Inconel 718 AM ลดเวลาในการผลิตลง 60-80% (2-4 สัปดาห์เทียบกับ 10-16 สัปดาห์สำหรับการตัดเฉือนจากของแข็ง) และบรรลุการใช้วัสดุ 30-50% เทียบกับ 5-15% สำหรับการตัดเฉือนแบบธรรมดา แต่ต้นทุนชิ้นส่วนยังคงสูงกว่าการผลิตแบบทั่วไปถึง 2-4 เท่าสำหรับรูปทรงเรียบง่าย AM มีการแข่งขันด้านต้นทุนสำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อนโดยมีอัตราส่วนการซื้อต่อการบินต่ำกว่า 5:1

ปัจจัยต้นทุน/เวลานำ	เช้า (LPBF)	เช้า (EBM)	การตัดเฉือนแบบธรรมดา	การตีแบบธรรมดา
ต้นทุนชิ้นส่วน (วงเล็บเหลี่ยมแบบง่าย)	$800-1200	$600-900	$300-500	ไม่มี (ไม่สามารถทำได้)
ต้นทุนชิ้นส่วน (ใบพัดกังหันที่ซับซ้อน)	$2000-3000	$1500-2500	4,000-6,000 ดอลลาร์ (จากของแข็ง)	$6,000-10,000 (ปลอม + เครื่องจักร)
ระยะเวลาดำเนินการ (ส่วนง่ายๆ)	2-3 สัปดาห์	2-3 สัปดาห์	6-8 สัปดาห์	16-24 สัปดาห์
ระยะเวลาดำเนินการ (ส่วนที่ซับซ้อน)	3-4 สัปดาห์	2-3 สัปดาห์	10-16 สัปดาห์	24-40 สัปดาห์
การใช้วัสดุ	30-50%	40-60%	5-15%	10-25%
ซื้อ-ถึง-อัตราส่วนการบิน	2:1 ถึง 4:1	1.5:1 ถึง 3:1	8:1 ถึง 20:1	4:1 ถึง 8:1
จำเป็นต้องใช้เครื่องมือ	ไม่มี (โดยตรงจาก CAD)	ไม่มี	ฟิกซ์เจอร์ จิ๊ก โปรแกรม	การตีขึ้นรูป, อุปกรณ์ติดตั้ง
ต้นทุน NRE (บทความแรก)	$500-2000 (การตั้งค่าการสร้าง)	$500-2000	$5000-15000	$50000-200000
ปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำ	1 ส่วน	1 ส่วน	1 ส่วน (NRE สูง)	50-100 ชิ้น
ต้นทุนการเปลี่ยนแปลงการออกแบบ	$200-500 (สร้างใหม่)	$200-500	$2,000-5,000 (โปรแกรมใหม่)	$10000+ (ตายใหม่)

ที่มา: ข้อมูลลูกค้าของ JN Alloys ปี 2024; แบบจำลองต้นทุนของ Roland Berger AM; การศึกษา Deloitte Aerospace AM ปี 2024

กรณีทางธุรกิจสำหรับ Inconel 718 AM นั้นแข็งแกร่งที่สุดสำหรับชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติอย่างน้อยหนึ่งอย่างต่อไปนี้: (1) รูปทรงภายในที่ซับซ้อน เช่น ช่องระบายความร้อนที่ไม่สามารถตัดเฉือนได้ (2) ซื้อ-อัตราส่วนต่อ-การซื้อ-ต่อ-การบินที่เกิน 8:1 ในการผลิตแบบทั่วไป (3) ปริมาณการผลิตต่ำ (1-50 หน่วย) ซึ่งมีต้นทุนด้านเครื่องมือครอบงำ (4) การออกแบบซ้ำบ่อยครั้งซึ่งต้องการการตอบสนองที่คล่องตัว หรือ (5) การใช้งานที่เน้นน้ำหนักเป็นหลัก โดยที่การปรับโทโพโลยีให้เหมาะสมช่วยลดมวลลงได้อย่างมาก

Inconel 718 เป็นโลหะผสมที่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อ โดยมีระดับความพร้อมทางเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ ฐานข้อมูลกระบวนการที่กว้างขวาง และมรดกทางการบินที่ได้รับการพิสูจน์แล้วบนแพลตฟอร์ม LPBF และ EBM

ประเด็นสำคัญสำหรับ AM การบินและอวกาศของ Inconel 718:

1. การเลือกกระบวนการ:LPBF สำหรับคุณสมบัติที่แม่นยำและรายละเอียดที่ละเอียดอ่อน EBM สำหรับส่วนประกอบขนาดใหญ่ที่ไวต่อความเครียด-ซึ่งต้องการการบิดเบือนน้อยที่สุด

2. การควบคุมโครงสร้างจุลภาค:การแข็งตัวอย่างรวดเร็วช่วยปรับแต่งโครงสร้างของเกรน แต่สร้างแอนไอโซโทรปี HIP และการรักษาความร้อนที่เหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศ

3. ความสำเร็จด้านทรัพย์สิน:AM Inconel 718 ที่ได้รับความร้อนเต็มที่-มีคุณสมบัติตรงหรือเกินกว่าคุณสมบัติที่ทำขึ้น อายุความเหนื่อยล้าดีขึ้น 20-40% หลังจาก HIP เนื่องจากไม่มีรูพรุน

4. การประกันคุณภาพ:การสแกน CT เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการตรวจจับข้อบกพร่องภายใน ตัวอย่างพยานจะตรวจสอบคุณสมบัติทางกลของแต่ละโครงสร้าง

5. ความมีชีวิตทางเศรษฐกิจ:AM กลายเป็นต้นทุน-ที่แข่งขันกันสำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน (ซื้อ-เพื่อ-บิน > 8:1) ปริมาณน้อย หรือโทโพโลยี-การออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม ซึ่งช่วยลดน้ำหนักได้อย่างมาก

สำหรับ OEM ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและซัพพลายเออร์ระดับ 1 ที่ประเมิน Inconel 718 AM แนะนำให้ใช้แนวทางแบบเป็นช่วง: (1) กำหนดพารามิเตอร์กระบวนการตาม AMS 7011 และ ASTM F3055 (2) สร้างโปรโตคอลการจัดการผง (3) ตรวจสอบวงจรการรักษาความร้อน (4) พัฒนาการออกแบบที่อนุญาตสำหรับการบัญชีสำหรับแอนไอโซโทรปี และ (5) ใช้ NDT และระบบคุณภาพที่แข็งแกร่งตาม NASA MSFC-STD-3716