Inconel 718:um material robusto para manufatura aditiva

Nossa série de postagens no blog de Ciência dos Materiais apresenta materiais de fabricação comumente usados, suas propriedades e outras características relevantes. Este post analisa o material de fabricação de aditivos Inconel 718, explorando as propriedades dessa superliga à base de níquel e as aplicações comuns de aditivos.

O que é Inconel?

O inconel é considerado uma “superliga”. Após a Segunda Guerra Mundial, o termo superliga surgiu para descrever um grupo de ligas de alto desempenho que foram desenvolvidas para prolongar a vida útil dos componentes de aeronaves expostos ao calor extremo.
Este revestimento de combustão feito para um OEM aeroespacial foi fabricado aditivamente com Inconel 718.
As ligas são uma mistura de metais que são combinados para alcançar uma supermistura de características metálicas, como força e resistência à corrosão. As superligas - também conhecidas como ligas de alto desempenho, ligas resistentes ao calor ou ligas de alta temperatura - são materiais essenciais para vários setores, como aeroespacial, petroquímico, automobilístico e de petróleo e gás.

O Inconel 718, que foi escalado para produção em massa em 1965, é um conhecido material de trabalho pesado de níquel-cromo para a indústria de manufatura aditiva. Reduzindo o ciclo de Carnot, ou o ciclo de motor térmico mais eficiente, a combustão mais quente resulta em eficiência energética. A eficiência energética resulta em eficiência de combustível.

É por isso que as superligas, como o Inconel 718, são tão críticas para projetos eficientes e econômicos. Sua estabilidade em ambientes extremos e capacidade de permanecer resistente à corrosão, fluência e choque térmico os tornam candidatos ideais para a indústria aeroespacial.
Este gráfico mostra a resistência específica de materiais de alto desempenho. Imagem cortesia de laserchirp.com
Esta superliga de níquel-cromo-molibdênio é usada em componentes de seção quente de pás de turbinas, sistemas de dutos e sistemas de exaustão de motores. De fato, 50% dos materiais usados ​​em motores de aeronaves e foguetes são superligas à base de níquel.

Inconel 718 e ligas similares também são encontradas em aplicações não aeronáuticas e de foguetes. Plantas químicas e petroquímicas (recipientes, bombas, válvulas, tubulações), usinas elétricas (turbinas industriais a gás), submarinos (pás de hélices, conexões de desconexão rápida, motores auxiliares de propulsão), reatores nucleares (tubos de troca de calor, conexões) e o indústria de petróleo e gás (tubulares de fundo de poço, hardware de cabeça de poço, lanças de flare) contribuem para a fabricação e uso de produção do Inconel 718.

Aplicações criogênicas também usam Inconel 718 por causa de sua capacidade de suportar fratura frágil em temperaturas muito baixas.

Inconel vs. Titânio vs. Aço

Conforme mostrado no gráfico acima, à direita, as ligas à base de níquel, como o Inconel 718, podem ser o material candidato certo sobre o titânio ou o aço quando se trata de desempenho em ambientes de temperatura severa. Camadas protetoras oxidadas em ligas à base de níquel aumentam ainda mais o desempenho mecânico. As tabelas abaixo listam as propriedades do Inconel 718, aço inoxidável e titânio. Mais detalhes sobre todos os nossos materiais no Protolabs podem ser encontrados em nosso Guia de comparação de materiais.

PROPRIEDADES DO ADITIVO INCONEL 718

DOENÇA	UTS	Rendimento de 0,2%	Alongamento (%)	Dureza (HRC)
Como construído (ASTM F3055)	140 ksi	95 ksi	35	31
Solução Tratar e Envelhecer (AMS 5662)	207 ksi	175 ksi	18	46
Solução Tratar e Envelhecer (AMS 5664)	208 ksi	170 ksi	21	45

PROPRIEDADES DO ADITIVO 17-4 PH AÇO INOXIDÁVEL

DOENÇA	UTS	0,2% Rendimento	Alongamento (%)	Dureza (HRC)
Solution Treat + H900 (AMS 5604)	195 ksi	175 ksi	10	42

PROPRIEDADES DO ADITIVO INOXIDÁVEL 316L

DOENÇA	UTS	0,2% Rendimento	Alongamento (%)	Dureza (HRC)
Alívio de tensão (ASTM F3184)	92 ksi	70 ksi	60	95

PROPRIEDADES DO ADITIVO TITÂNIO/Ti6 AL-4V

DOENÇA	UTS	0,2% Rendimento	Alongamento (%)	Dureza (HRC)
Alívio de tensão (AMS 2801)	180 ksi	165 ksi	8	42
Alívio de tensão (PRLB)	143 ksi	127 ksi	14	35

Onde a manufatura aditiva se encaixa na imagem

A obtenção dos designs desejados com Inconel não aditivo pode ser um desafio. Ou seja, o desempenho do componente pode sofrer quando os métodos de fabricação tradicionais são usados, pois podem afetar os atributos de desempenho mecânico, como corrosão em alta temperatura e resistência à fluência. Uma etapa de recozimento também é necessária no início de qualquer processo de usinagem, forjamento ou soldagem. A fabricação aditiva do Inconel 718 mostrou que as propriedades mecânicas não são sacrificadas e podem até exceder as propriedades das peças fundidas ou forjadas.

A indústria aeroespacial e empresas como a GE Aviation já estão produzindo peças manufaturadas aditivamente para motores a jato de aeronaves. A liberdade de design, a redução de peças e a eficiência da cadeia de suprimentos colocam os componentes aeroespaciais fabricados com aditivos no centro das atenções quando a economia de combustível e custos é alcançada.

Um artigo de 2017 apresentado em uma conferência do Institute of Physics (IOP) sobre ciência e engenharia de materiais relatou que várias aplicações criogênicas de superliga aditiva também estão usando manufatura aditiva. Tubos e invólucros, suspensão criogênica e sistemas de suporte, estruturas para impulsores ou bombas, hastes de válvulas, tubos de resfriamento, tubos de calor, projetos de isolamento térmico, trocadores de calor e armazenamento de gás em sistemas de alta porosidade são todos adequados para aplicações que requerem superligas de alta resistência onde as temperaturas podem variar de criogênica (-460 graus F) até 1.400 graus F.

O desenvolvimento de metais em pó, juntamente com o avanço nas máquinas de impressão 3D de metal de nível industrial, avançou a conversa em muitos setores para desbloquear os benefícios da fabricação aditiva de superligas. A capacidade de desenvolver peças é, de fato, uma realidade para quem busca fabricar peças a partir do Inconel 718.

Na Protolabs, oferecemos o Inconel 718 como uma opção de material aditivo disponível para construir volumes de peças de até 31,5 pol. x 15,7 pol. x 19,7 pol. (800 mm x 398 mm x 500 mm). Com a introdução da máquina GE Additive X Line 2000R em nossa linha, estamos abrindo caminho para as indústrias contarem com um único fornecedor para grandes peças aditivas Inconel 718.

Além disso, podem ser realizadas opções de tratamento térmico que melhoram as propriedades mecânicas do Inconel. Uma das muitas opções de tratamento térmico inclui a prensagem isostática a quente (HIP), que também pode ser realizada para melhorar as propriedades mecânicas aumentando a densidade e reduzindo a porosidade nas peças.

Capacidades de produção aditiva dos Protolabs

Impressão 3D Amplie o volume de até 31,5 pol x 15,7 pol. x 19,7 pol. Opções de resolução de peças de 20 a 60 mícrons Opções mínimas de tamanho de recurso de 0,030 pol. até 0,015 pol. Pós-usinagem Fresamento de 3 e 5 eixos Girando Wire EDM Toque e alargamento Análise de pó e material Rastreabilidade Química Tamanho de partícula e análise de distribuição Teste de cupom mecânico Teste mecânico Tração Dureza Rockwell Fadiga Vibração Tratamentos Térmicos Alívio do estresse Prensagem isostática a quente (HIP) Recozimento de solução Envelhecimento Inspeções e relatórios de qualidade Inspeções dimensionais com relatório em balão Inspeção do primeiro artigo (FAI) conforme AS9102 CMM, ótica e tomografia computadorizada Raio-X Rugosidade da superfície Opções de materiais Inconel 718 Alumínio / ALSi10Mg Cromo Cobalto Aço inoxidável 17-4 PH Aço inoxidável 316L Titânio / Ti 6AL-4V Cobre / CuNi2SiCr

Rachel Hunt é gerente de marketing para impressão 3D da Protolabs. Ex-cliente da Protolabs, ela ocupou cargos de engenharia e marketing na indústria de dispositivos médicos. Hunt trabalhou globalmente com clientes de uso final e fornecedores de fabricação para comercializar dispositivos cirúrgicos. Ela possui um B.S. em Engenharia Biomédica pela North Carolina State University e mestrado em Gerenciamento de Engenharia pela Duke University.